Logran el primer cálculo de la distribución de presión en un protón

El primer cálculo de distribución de presión en un protón ha revelado un núcleo que, en su punto más intenso, está generando mayores presiones que las del interior de una estrella de neutrones.

Según los hallazgos en primicia de físicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology) este núcleo empuja hacia afuera desde el centro del protón, mientras que la región circundante empuja hacia adentro –como una pelota de béisbol que intenta expandirse dentro de una pelota de fútbol que está colapsando–. Las presiones en competencia actúan para estabilizar la estructura general del protón.

Los resultados, publicados en Physical Review Letters, representan la primera vez que los científicos calculan la distribución de la presión de un protón teniendo en cuenta las contribuciones de los quarks y los gluones, los constituyentes subatómicos fundamentales del protón.

«La presión es un aspecto fundamental del protón del que sabemos muy poco en este momento», dice en un comunicado la autora principal Phiala Shanahan, profesora asistente de física en el MIT. «Ahora hemos encontrado que los quarks y los gluones en el centro del protón están generando una presión externa significativa, y más allá de los bordes, hay una presión de confinamiento. Con este resultado, estamos conduciendo hacia una imagen completa de la estructura del protón».

En lugar de medir la presión de un protón utilizando aceleradores de partículas, Shanahan y sus colaboradores intentaron incluir el papel de los gluones mediante el uso de supercomputadoras para calcular las interacciones entre los quarks y los gluones que contribuyen a la presión de un protón.

«Dentro de un protón, hay un vacío cuántico burbujeante de pares de quarks y antiquarks, así como gluones, que aparecen y desaparecen», dice Shanahan. «Nuestros cálculos incluyen todas estas fluctuaciones dinámicas».

Para hacer esto, el equipo empleó una técnica en física conocida como QCD de celosía, cromodinámica cuántica, que es un conjunto de ecuaciones que describe la fuerza fuerte, una de las tres fuerzas fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas. (Los otros dos son la fuerza débil y electromagnética). La fuerza fuerte es lo que une a los quarks y los gluones para finalmente hacer un protón.

Los cálculos de QCD de celosía utilizan una cuadrícula de cuatro dimensiones, o celosía, de puntos para representar las tres dimensiones del espacio y una del tiempo. Los investigadores calcularon la presión dentro del protón usando las ecuaciones de la cromodinámica cuántica definidas en la red.

«Es enormemente exigente desde el punto de vista computacional, por lo que usamos las supercomputadoras más poderosas del mundo para hacer estos cálculos», explica Shanahan.

El equipo pasó unos 18 meses ejecutando varias configuraciones de quarks y gluones a través de varias supercomputadoras diferentes, luego determinó la presión promedio en cada punto desde el centro del protón, hasta su borde. Encontraron que, al incluir la contribución de los gluones, la distribución de la presión en el protón cambió significativamente.

«Hemos visto la contribución del gluón a la distribución de la presión por primera vez, y podemos ver que, en relación con los resultados anteriores, el pico se ha vuelto más fuerte y la distribución de la presión se extiende más allá del centro del protón», dijo Shanahan.

En otras palabras, parece que la presión más alta en el protón es de alrededor de 1.035 pascales, o 10 veces la de una estrella de neutrones, –que se encuentran entre los objetos más densos conocidos del universo–, similar a lo que informaron los investigadores del Laboratorio Jefferson. La región circundante de baja presión se extiende más lejos de lo estimado previamente.

Confirmar estos nuevos cálculos requerirá detectores mucho más potentes, como el Colisionador de Iones Electrónicos, un acelerador de partículas propuesto que los físicos intentan usar para sondear las estructuras internas de protones y neutrones, con más detalle que nunca, incluidos los gluones.

«Estamos en los primeros días de entender cuantitativamente el papel de los gluones en un protón», dice Shanahan. «Al combinar la contribución de los quarks medidos experimentalmente con nuestro nuevo cálculo de la pieza de gluón, tenemos la primera imagen completa de la presión del protón, que es una predicción que se puede probar en el nuevo colisionador en los próximos 10 años».

Fuente: europapress.es