Rómpelo y dime qué hay dentro… parte I


¿Cómo sabemos que dentro del protón tenemos partículas?  Esta es una pregunta muy frecuente. Generalmente nos dicen que tenemos quarks y gluones dentro de protones y neutrones.

¿Cómo estamos seguros de eso? ¿Acaso hemos visto estas partículas?

La respuestas es, sí.  En estas entradas vamos a describir los procesos experimentales que nos permiten decir sin ningún género de duda que dentro del protón tenemos partículas puntuales.

Todo consiste en lanzarle piedras lo más fuerte que puedas

La filosofía subyacente de lo que sigue no es nada nueva. Lo que tenemos que hacer para ver la estructura de un protón es repetir el experimento de Rutherford sólo que con partículas más pequeñas (electrones) y energías más altas. (Para refrescar: Experimento de Rutherford y ¿Es el núcleo un punto?)

Lo que hacemos en este caso es tener una muestra de protones y lanzar con mucha energía electrones contra un protón. Esto nos dirá la estructura que tiene el protón. Y lo que descubriremos es que el protón en su interior muestra una estructura más rica de lo que esperábamos. Encontraremos quarks, antiquarks y gluones:

¿Cómo creemos que es un protón?

Murray Gell-mann propuso que los hadrones estaban formados por tres partículas que denominó quarks. Estas partículas son de espín 1/2 y tienen como característica sorprendente que tienen cargas eléctricas que son fracciones de la carga del electrón. Además estas partículas tienen una carga física (algo que los permite interactuar) que denominamos carga de color. Las partículas que median esta interacción se denominan gluones. Es decir, los quarks se atraen entre si intercambiando gluones.

Otra característica sorprendente de los quarks y su interacción es que no se pueden extraer los quarks de dentro de las partículas, como el protón, que los contienen. A esto se le llama “confinamiento”.  Es decir, si tenemos dos quarks interactuando resulta que si intentamos separarlos al final la energía que tenemos que usar en el proceso hace que aparezcan otros dos quarks cada uno ligado a cada uno de los dos iniciales que hemos intentado aislar.

Daremos más detalles de esto cuando le dediquemos una entrada a los quarks.

La pregunta aquí es: ¿Cómo sabemos entonces que hay quarks dentro de los hadrones si no podemos aislarlos?

¿Cómo hacemos para ver dentro de un protón?

Inicialmente un protón se puede considerar como una partícula, pero sabemos que esta tiene un “tamaño”, es decir, no es puntual. Así que tendremos que intentar ver si hay algo dentro de los protones.  Entonces decidimos lanzar electrones contra el protón y los lanzamos con mucha energía, en el espíritu del experimento de Rutherford. Es decir, mandamos electrones con mucha energía, esto produce que el protón se rompa y lo que medimos es con qué ángulo llega el electrón a un detector que situamos detrás de los protones.

En forma de diagrama es algo así:

El electrón interacciona con el protón a alta energía. Si este contiene partículas puntuales entonces el electrón es capaz de ver estas partículas y la interacción es esencialmente entre el electrón y un quark. La interacción se efectúa mediante el intercambio de un fotón que consigue romper el protón. Lo interesante es medir el ángulo final que tiene el electrón tras interactuar con los constituyentes del protón.

Con este procedimiento podemos medir lo que se conoce como factor de forma del protón W_2. Y en el 69, Bjorken dedujo que si el protón estaba compuesto por partículas puntuales, este factor de forma no dependería de la energía del electrón q.  Esto fue medido en el SLAC y se encontró:

Medidas de W2 para diferentes ángulos de dispersión de los electrones. Se puede ver cómo los datos experimentales caen todos (aproximadamente) en una recta horizontal, es decir, no depende de la energía del electrón (a partir de un valor de la misma, la energía tiene que ser alta o si no el protón aparece como un “paquete sólido”). Esto indica que el protón tiene estructura interna.

 Así que una imagen aproximada de lo que está pasando es:

¿Sólo tres quarks?

Parece ser que al final Gell-Mann tenía razón (junto con algunos otros como Feynman, Bjorken, etc). Dentro de los protones tenemos tres quarks. Pero no acaba aquí la historia, todavía se esconde alguna sorpresa más.

En los experimentos se puede estudiar la energía con la que interacciona el electrón con cada quarks a través de estudiar su ángulo de dispersión (el ángulo en el que varía su “trayectoria” después de interaccionar con un quark). Lo que uno espera es que cada quark presente en el protón tenga un tercio de la energía (aquí denotaremos a la fracción de energía de los quarks por la letra x). Esto se hace midiendo lo que se conoce como el factor de forma electromagnético F_2(x).  El resultado experimental es:

Y en esta gráfica podemos ver varias cosas:

1.-  Hay una variación de la función F para distintos valores de x.

2.-  Los puntos graficados se calcula usando diferentes energías iniciales del electrón lanzado contra los protones. El rango empleado aquí es: 2GeV^2< q^2 <18GeV^2.

3.-  Como vemos todos los puntos (cada uno a su energía de entre el rango utilizado) siguen el mismo perfil. Es decir, otra vez encontramos que no depende de la energía inicial del electrón lanzado.  (En realidad hay una pequeña dependencia ya que todos los puntos no caen sobre la misma línea, esta puede ser explicada por la cromodinámica cuántica, volveremos a ello en otro momento).

Así esta gráfica es magnífica para estudiar qué cantidad de energía tiene cada quark en el protón. Por lo tanto, pongamos una imagen de la forma de F_2(x) en varias situaciones teóricas posibles:

Y la sorpresa viene aquí:

Si sólo tenemos 3 quarks y nada más el factor de forma debería de ser parecido al de la imagen superior.  Sin embargo, lo que encontramos es algo como la predicción teórica de la última imagen de la figura. Esta está calculada asumiendo que los quarks están intercambiando partículas (gluones) y que estos a su vez pueden dar lugar a pares de quark/antiquark que contribuyen a la energía (masa) del protón.

Así que ahora sabemos que el protón tiene un aspecto más parecido a esto:

Que a la imagen simple de tres quarks en su interior sin nada más.

La naturaleza siempre se empeña en tener ases bajo la manga.

Nos seguimos leyendo…

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18 Respuestas a “Rómpelo y dime qué hay dentro… parte I

  1. I let myself become a fool .

  2. wasteking9980tcoperationdisposer.buyvl” Waste King 9980TC Operation Disposer has inspired me to begin

  3. Pingback: Radio protón | Cuentos Cuánticos

  4. y dentro de los quark …tendremos energía bastante para destruir un quark y ver q hay dentro …dicen q no hay nada. En el fondo estamos hechos de vacío

  5. Pingback: Extrañas estrellas extrañas | Cuentos Cuánticos

  6. Pingback: Empecé jugando y acabé construyendo hadrones | Cuentos Cuánticos

  7. La verdad es que yo no entiendo mucho de números leptonicos, … supernumerarias, etc, que aunque he leído en este blog sigo sin entender, pero lo que todo el mundo sabe es que la materia y la antimateria se aniquilan, por eso es absurdo lo de que protón está compuestos por materia y antimateria y eso si lo entiendo. Un saludo

  8. El hecho de no sentir la interacción fuerte no significa que no puedan concurrir en un espacio cercano: un electrón puede atraer a dos partículas de carga opuesta.

    La estabilidad (en la que no quería entrar) puede establecerse si el espacio fuera discreto en lugar de contínuo.

    El número impar de positrones (2) y de electrones (1) genera una carga positiva que es la que manifiesta el protón. De neutrones no he comentado nada.

    Pero mi pregunta, viendo las gráficas, es por que son tres los centros de dispersión… por ser “x” aproximadamente 1/3 del máximo de “x” ??

    PD: si dos positrones se acercaran a un electrón central a la misma distancia, existiendo una unidad elemental de distancia (discreta), quedarían las trayectorias truncadas con una energía “máxima”… lo que puede ser sinónimo de simetría asintótica: esa es mi teoría en “dos palabras” literales. Te dejo un enlace por si tienes un momento lo suficientemente loco:

    http://particion.wordpress.com/que-soluciona/equilibrio-del-proton/

    • Para que no queden dudas:

      a) La interacción que domina en el núcleo y los nucleones (como el protón) es la interacción fuerte. Electrones y positrones no la sienten. Y esto es un hecho experimental. Con esta razón ya está invalidado el modelo que propones.

      b) Un electrón atrayendo a dos positrones acabaría por aniquilarse porque es el canal preferido en la interacción materia/antimateria.

      c) El protón y el neutrón tienen tres centros de dispersión cada uno en los experimentos de dispersión inelástica. Y se han medido las cargas de estos centros y son cargas fraccionarias. No pueden ser positrones ni electrones.

      d) Son tres centros de dispersión por esas gráficas entre otras muchas evidencias experimentales.

      e) Meter un espacio discreto no soluciona la estabilidad porque la materia/antimateria tiende a aniquilarse preferentemente y eso es un hecho experimental.

      El caso es que electrones y positrones no sienten la interacción que domina la física nuclear y la física hadrónica por lo tanto no pueden formar parte de los protones. Además esto violaría muchas leyes de la física y muchas simetrías, la interacción fuerte se rige por una simetría SU(3) a la que electrones y positrones son insensibles (se rigen por una simetría SU(2)). El número bariónico y el número leptónico no serían cantidades conservadas en los procesos de partículas elementales y un largo etc.

      Sintiéndolo mucho el enlace que has puesto no tiene ni pies ni cabeza y no tienen refrendo ni teórico ni experimental. Agradeceré que no vuelvas a enlazar nada así para no tener que moderar los mensajes.

      Un saludo y gracias.

  9. Pingback: Bitacoras.com

  10. Un protón de esta guisa (positrón – electrón – positrón) tendría un equilibrio perfecto del átomo al sumar a aquellos un electrón más y así obtener un saldo neutro entre materia y antimateria. Esto daría respuesta a uno de los problemas de nuestro universo: el desequilibrio entre partículas y sus parejas, además de dar una explicación causal en lugar de probabilística.

  11. Veo clara la razón para deducir la estructura interna… pero no para deducir que sean tres las partículas que constituyen el protón.

    Al margen de lo heterodoxo de la idea de suponer que en lugar de tres quarks sean dos positrones rodeando a un electrón central, si lo planteamos así, este procedimiento experimental no tendría razón alguna para rechazar tal posibilidad, o si la tendría ?

    La interacción (clásica) de tal estructura sería de una órbita estable donde los positrones viajarían muy cerca de la velocidad de la luz, lo que implicaría que no están quietos y así ser coherente con la gráfica y su forma de Gauss.

    (… la explicación de un protón estable constituido con un electrón central y dos positrones sería otra historia, solo me refiero a los resultados de las colisiones arriba mencionadas)

    • Los electrones no sienten la interacción nuclear fuerte. Los positrones tampoco. Así que difícilmente podrían formar parte de los protones.
      Otra cuestión es que con un número impar de electrones y positrones no se puede conseguir carga 0 y los neutrones tienen carga total 0 y están formados por 3 partículas en su interior (en primera aproximación).

      Además un sistema formado por electrones y positrones es altamente inestable y acabarían por interaccionar entre ellos y producir fotones de alta energía. Y el protón es una partícula muy estable afortunadamente, de otra forma la materia que nos constituye no existiría a día de hoy.

      Sabemos que hay tres porque los resultados de las colisiones inelásticas permiten saber cuantos centros de dispersión hay dentro de la partícula que estamos estudiando, en protones y neutrones tenemos tres centros de dispersión.

      Espero haber aclarado tus dudas al respecto.

  12. No he entendido todavía se el protón acaba rompiéndose en las partículas que indicas o si por contrario es el electrón que al interactuar con estas es como podemos ver su existencia.

    • Por pasos:

      1.- Lanzamos un electrón de muy alta energía contra un protón.
      2.- El protón acaba roto en diferentes partículas (que no son quarks aislados, sino otro tipo de partículas).
      3.- Lo que medimos es como se desvía el electrón de la dirección inicial de lanzamiento y su energía.

      Con estos datos podemos saber si el electrón ha “visto” dentro del protón una o más partículas y la energía de las mismas.

      Espero que esto te ayude un poco.

  13. Forma muy gràfrica de poder explicar parte de la QCD.

  14. Qué bien explicado 🙂

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