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Radio protón

No, no vamos a hablar de música electrónica, ni de una nueva emisora de radio.  En esta entrada hablaremos del radio del protón que en los últimos tiempos nos ha deparado una sorpresa.

El protón es una partícula esencial para entender la estructura de la materia que nos rodea y de la que nos conforma a nosotros mismos. Los núcleos están hechos de protones, neutrones y, estos, forman parte de los átomos cuando se ven revestidos de electrones.  Dado que es una partícula fundamental para nuestro entendimiento de la materia, los físicos se han empeñado en medir su “tamaño”, su radio.

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La simple genialidad de Yukawa

Hideki Yukawa

Corrían los años 30, años en los que el mundo estaba convulsionado por una devastadora crisis económica, y la física se encontraba en una encrucijada. (Vaya, esta frase me valdría para tiempos más recientes). Un físico nipón se propuso afrontar un severo problema, entre muchos otros en los que arrojó luz, que no era más, ni menos, que el de entender la interacción por la cual dos protones pueden unirse para formar núcleos.

Como estoy seguro de que todos hemos oído, dos cargas eléctricas de igual signo se repelen. Y a menor distancia entre ellas mayor repulsión. Sin embargo, en los núcleos atómicos los protones están unidos. ¿Qué interacción es la responsable de este comportamiento?

Yukawa respondió a esta pregunta y, en mi opinión, abrió todo un mundo para la física de partículas. Espero que en esta entrada podamos vislumbrar la genial y simple idea que desarrolló este fantástico físico.

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No solo del Higgs vive la masa

Sabemos que el Higgs es el responsable de dar masa a ciertas partículas. Sin embargo, no toda la masa de las cosas que nos rodean vienen de la interacción con el Higgs.

Vamos a ver cómo gran parte de la masa de las cosas viene por efectos que no están relacionados con el Higgs.

Simetría gauge y masa

En el blog hemos discutido muchas veces que el modelo estándar se construye sobre la base de la existencia de unas simetrías que nos dan la forma de interacción de las partículas elementales, la simetría gauge.

Este principio de simetría es muy potente por dos motivos:

  1. Nos dice las cargas asociadas a cada interacción.
  2. Nos da la forma precisa de dichas interacciones.

Pero como contrapartida tenemos un problemita, las teorías gauge solo funcionan si las partículas no tienen masa.  Para una discusión sobre este tema os dejo dos entradas:

¿Qué es el Higgs?  Donde se habla de estos temas de gauge y masa.

El fotón y la masa. Donde se muestra porqué una teoría gauge impide que una partículas como el fotón, el bosón mensajero de la interacción electromagnética, no puede tener masa por cuestiones de simetría.

El mecanismo de Higgs es una forma de que las partículas (algunas de ellas) adquieran masa de forma compatible con la simetría gauge.

Lo que sabemos es que por simetría gauge ni fotones, ni los bosones de la interacción débil Z^0, W^+ y W^-, ni los gluones, etc, deberían de tener masa. Y experimentalmente sabemos que todas las partículas, excepto el fotón, tienen masa. Los bosones de la interacción débil tienen masas comparables a núcleos de elementos tan pesados como el oro.  Aquí es donde el Higgs juega su papel, según este mecanismo el campo de Higgs es capaz de acoplarse con distintos bosones mensajeros y con fermiones como el electrón, quarks y neutrinos para dotarlos de masa sin violar de forma flagrante la simetría gauge.

El protón y el neutrón

Cuando miramos un átomo está constituido por un núcleo y sus electrones orbitales.  Echando cuentas uno puede comprobar que la masa del átomo está esencialmente en su núcleo. Entre un 95% y un 99% de la masa del átomo le corresponde al núcleo.

Los núcleos están constituidos por protones y neutrones. A su vez, se sabe experimentalmente que neutrones y protones, los nucleones, están formados por quarks.

Un protón está constituido por dos quarks de tipo up y un quark de tipo down. El neutrón, a su vez, está constituido por dos quarks de tipo down y un quark de tipo up.

Esta imagen simplista nos dice que con estos tres quarks se pueden entender las propiedades básicas de los nucleones como su carga eléctrica y su espín. Pero, la realidad nos depara sorpresas.

Cuando lanzamos electrones muy energéticos contra nucleones, lo que se llama experimentos de dispersión inelástica profunda, podemos ver la estructura interna de los mismos.

Entonces encontramos este resultado al medir una cosa llamada factor de forma (que nos habla de la estructura interna de los nucleones):

Sin embargo, teóricamente esto NO CORRESPONDE con una estructura interna de solo tres quarks.  Los modelos teóricos:

Es decir, un nucleón es algo que tiene tres quarks que determinan sus propiedades tipo carga y espín. Pero además, está lleno de gluones (los que transmiten la interacción fuerte) y pares de quark/antiquark que se crean en su interior y se reabsorben.

La imagen pictórica más acertada sería algo así:

La masa de los nucleones

Si uno presupone que un nucleón solo está compuesto por tres quarks (de los tipos u y d) y supone que estas partículas se mueven dentro de los nucleones de forma no relativista (velocidades bajas) puede estimar la masa de los mismos. El resultado es que la masa de los quarks es m_q\approx 310MeV, que es aproximadamente 1/3 de la masa de los nucleones.  Pero como hemos visto, esto es incorrecto.

La interacción que importa para entender la estructura de los nucleones es la interacción fuerte. Esta interacción opera entre quarks y se considera que está mediada por gluones.

Los quarks tienen una carga que les permite interactuar entre ellos intercambiando gluones, la carga de color, que puede tomar tres valores, rojo, verde y azul. (Para una explicación de la carga de color y su aparición en escena: ¿Coloreamos?  y Extrañas estrellas extrañas)

Una diferencia esencial entre la interacción fuerte y el electromagnetismo es la siguiente:

  1. Cuando dos cargas eléctricas están mas cerca sienten mayor intensidad del campo eléctrico de la otra.
  2. Con la interacción fuerte pasa al revés, cuanto más cerca están los quarks menos intensidad de la interacción fuerte sienten. A esto se le llama libertad asintótica.
  3. Sin embargo, si intentamos separar dos quarks la intensidad aumenta tanto que no somos capaces de tener un quarks aislado. Esto se llama confinamiento.

El confinamiento de los quarks es debido a que en la naturaleza solo están permitidas conformaciones neutras de color. Para conseguir tal combinación tenemos que tener una configuración de color/anticolor o de rojo/verde/azul.

Es por eso que conocemos los mesones (quark-color/antiquark-anticolor) y los bariones (3 quarks cada uno con un color distinto).

Cuando estudiamos la interacción fuerte, la cromodinámica, encontramos una escala de energía (y por tanto de tamaños), la constante de acoplo \Lambda_{QCD}. (Para entender la relación entre energías y longitudes: Unidades Naturales).

Los quarks up y down tienen unas masas muy pequeñas comparadas con la escala de la cromodinámica:

m_q<<\Lambda_{QCD}

Esto nos indica que la masa de los quarks por si mismos, (generada por el Higgs), contribuye muy poco a la energía de un nucleón. Además, indica que los quarks dentro de los nucleones se mueven de forma relativista.

Por lo tanto, gran parte de la masa de los nucleones está generada no por el Higgs sino por la escala de energía a la que la cromodinámica nos dice que los quarks tienen libertad asintótica.

Hacer el cálculo exacto de la masa de los nucleones es muy complicado. La teoría no admite aproximaciones que simplifiquen el cálculo ya que a las energías en la que nos movemos los quarks están confinados. Esto hace que dicho cálculo sea toda una odisea técnica. Hay algunos resultados interesantes en cromodinámica cuántica en redes. En estos cálculos el espaciotiempo se sustituye por una malla en la que en los nodos están los quarks y en las uniones entre nodos aparecen los gluones.

Con estas técnicas matemáticas se ha podido calcular la masa de los nucleones con cierto éxito (aunque no es totalmente satisfactorio por el momento):

Introduciendo a mano las masas de algunas partículas hadrónicas (mesones y bariones) se ha podido predecir las masas de otras partículas.  En la figura tenemos representados los datos puestos a mano por los puntos azules, los rojos son los predichos por el cálculo en la malla y se prepresentan los errores que se introducen en el cálculo. Las líneas negras son los valores experimentales.

Así que podemos concluir que gran parte de la masa de las cosas que nos rodean no vienen de la mano del Higgs sino que hay que buscarla por las características de la interacción fuerte. Todavía nos queda mucho por aprender de la estructura de la materia.

Para ampliar información podéis bucear en el blog de Francis:

Quarks, gluones, masa.

Y este artículo de Frank Wilczek: Origin of mass

Nos seguimos leyendo…

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.

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Entendiendo el núcleo atómico

En esta entrada vamos a hablar de la física del núcleo atómico. Esto nos servirá para tener la base necesaria para afrontar un estudio de las reacciones nucleares. No es nuestra intención formar una opinión acerca de las bondades o maldades de esta forma de generar energía, lo único que queremos hacer es exponer, de la manera más llana posible, qué mecanismos físicos están implicados en los procesos nucleares.

Todo este material se puede encontrar en cualquier libro de física nuclear:

Libros de física nuclear

El que escribió esta entrada estudió física nuclear con el libro de Krane:

Introductory Nuclear Physics K. S. Krane

Y en google se pueden encontrar muchas referencias a física nuclear:

Lecciones de física nuclear en google

Estamos seguros que alguien en el mundo tiene un blog explicando exáctamente lo mismo con mayor claridad y profundidad, pedimos disculpas por no referenciarlo aquí debido a nuestro desconocimiento del total de la blogosfera que ha tratado el tema a nivel mundial.

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