Dentro del protón, «la cosa más complicada que se pueda imaginar»
(quantamagazine.org)- El protón del núcleo atómico es un objeto cuántico que revela estructuras internas completamente distintas según la configuración experimental, por lo que hace falta conectar varias generaciones de experimentos de dispersión para acercarse al panorama completo
- La dispersión inelástica profunda de 1967 en SLAC dio la primera evidencia de que los electrones chocaban contra fragmentos puntuales dentro del protón, los quarks, y desde entonces cientos de experimentos han examinado su estructura interna con mayor detalle
- El modelo de tres quarks explica la carga +1 del protón, pero no logra explicar suficientemente su espín ni su masa, por lo que se necesita una imagen más compleja con quarks, gluones y antiquarks entrelazados
- HERA observó un mar de quarks y antiquarks de bajo momento, con apenas 0.005% del momento, mediante colisiones cerca de 1,000 veces más intensas que las de SLAC, respaldando así las predicciones de la QCD
- Un análisis reciente con aprendizaje automático de más de 5,000 instantáneas del protón tomadas en los últimos 50 años sugiere que el quark charm, más pesado que el propio protón, podría estar presente de forma más persistente, lo que podría afectar la interpretación del LHC y de los neutrinos de rayos cósmicos
El protón muestra caras distintas según el experimento
- El protón es una partícula con carga positiva en el centro del átomo, pero no basta describirlo como una “esfera sin rasgos” clásica ni como una simple unión de tres quarks
- Como objeto cuántico, el protón existe como una niebla de probabilidades hasta que un experimento le impone una forma concreta, y su aspecto observado cambia mucho según el montaje experimental
- Mike Williams, del MIT, llamó al protón “la cosa más complicada que se pueda imaginar”, y Richard Milner dijo que los físicos apenas están empezando a entender este sistema de manera completa
- Un análisis masivo de datos, publicado en agosto de 2022, encontró rastros de quarks charm dentro del protón, aunque son más pesados que el propio protón
SLAC abrió las primeras pistas sobre el interior del protón
- En 1967, el Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, realizó dispersión inelástica profunda disparando electrones con gran energía para romper protones
- En vez de rebotar como bolas de billar, los electrones se dispersaban como si hubieran chocado contra fragmentos puntuales dentro del protón: los quarks
- Este resultado fue la primera evidencia de que los quarks existían realmente, y el hallazgo relacionado llevó al Premio Nobel de Física de 1990
- Desde entonces, los físicos han inferido distintos aspectos del interior del protón ajustando qué tan fuerte disparan los electrones y qué partículas recogen después de la dispersión
A mayor energía, se ven estructuras más pequeñas
- Los electrones de mayor energía permiten mirar dentro del protón con una resolución más alta
- Midiendo la energía y la trayectoria del electrón dispersado, se puede saber si golpeó a un quark que llevaba una gran fracción del momento total del protón o solo una fracción pequeña
- Repetir colisiones permite investigar si el momento del protón está concentrado en unos pocos quarks o distribuido entre muchos componentes
- En colisiones del nivel de SLAC, a menudo parecía que el electrón golpeaba a un quark con cerca de un tercio del momento total del protón, en concordancia con el modelo de tres quarks propuesto en 1964 por Murray Gell-Mann y George Zweig
El poder explicativo y los límites del modelo de tres quarks
- El modelo de quarks de Gell-Mann y Zweig describe el protón como dos quarks up y un quark down
- Cada quark up tiene carga +2/3
- El quark down tiene carga −1/3
- Sumados, dan la carga +1 del protón
- Pero este modelo no logra explicar el espín del protón
- El protón tiene espín 1/2
- Los quarks up y down también tienen espín 1/2 cada uno
- Al principio se pensó que restar el espín del quark down al de los dos quarks up daba el espín 1/2 del protón
- En 1988, la European Muon Collaboration reportó que la suma de los espines de los quarks era mucho menor que 1/2
- También aparecieron límites en la masa
- La masa de dos quarks up y un quark down representa apenas cerca de 1% de la masa total del protón
- El protón contiene mucho más que solo tres quarks simples
HERA reveló un mar de quarks y antiquarks
- El Hadron-Electron Ring Accelerator, HERA, en Hamburgo, Alemania, operó de 1992 a 2007 y hacía chocar electrones con protones con una intensidad cerca de 1,000 veces mayor que la de SLAC
- En los experimentos de HERA, incluso era posible seleccionar y analizar electrones que rebotaban en quarks de momento extremadamente bajo, con apenas 0.005% del momento total del protón
- Como resultado, se observó una estructura turbulenta de quarks de bajo momento y sus contrapartes de antimateria, los antiquarks
- Esto respaldó la cromodinámica cuántica (QCD), desarrollada en la década de 1970
- La QCD es la teoría cuántica que explica la fuerza fuerte entre quarks
- Los quarks están ligados por gluones, que transmiten la fuerza
- Quarks y gluones tienen tres tipos de carga de color, representadas como red, green y blue
- Partículas como el protón forman combinaciones en las que los colores se suman para dar un white neutro
Lo que muestra la QCD sobre colisiones fuertes y los límites del cálculo
- Según la QCD, los gluones pueden obtener un aumento momentáneo de energía y dividirse en un par quark-antiquark
- Ese par adquiere un momento muy pequeño y luego vuelve a aniquilarse, y HERA detectó este “mar” temporal de gluones, quarks y antiquarks
- En HERA, cuanto menor era el momento de los quarks observados, más abundantes parecían, lo que sugiere que en colisiones de energía aún mayor el protón se vería casi como una nube de gluones
- Milner considera que los datos de HERA son evidencia experimental directa de que la QCD describe la naturaleza
- Sin embargo, la QCD solo es fácil de calcular cuando la fuerza fuerte es relativamente débil
- La fuerza fuerte se debilita cuando los quarks están muy cerca entre sí
- Esto se cumple en pares quark-antiquark de vida corta
- En cambio, los tres quarks duraderos que aparecen en colisiones suaves como las de SLAC están lo bastante separados como para que el cálculo se vuelva muy difícil
- Frank Wilczek, David Gross y David Politzer aclararon esta característica de la QCD en 1973, y 31 años después recibieron el Nobel
El quark charm añadió una nueva imagen del protón
- El equipo dirigido por Juan Rojo analizó más de 5,000 instantáneas del protón obtenidas durante los últimos 50 años
- Este análisis usó aprendizaje automático para inferir el movimiento de quarks y gluones dentro del protón evitando depender de conjeturas teóricas
- En colisiones relativamente suaves, la mayor parte del momento seguía ligada a los tres quarks conocidos: dos quarks up y un quark down
- Pero una pequeña cantidad de momento parecía provenir de quarks charm y antiquarks charm
- Los quarks charm y los antiquarks charm son partículas elementales, cada una más de un tercio más pesada que el protón completo
- Si tiene suficiente energía, un gluón puede dividirse en cualquiera de los seis tipos de quarks, así que los charm de vida corta aparecen con frecuencia en la imagen del “mar de quarks”
- Los resultados del equipo de Rojo sugieren que el charm podría tener una presencia más persistente
- En colisiones suaves, el electrón normalmente encuentra tres quarks ligeros
- Pero a veces podría encontrarse con un raro estado de molécula de cinco quarks, por ejemplo con quarks up, down y charm de un lado, y un quark up con un antiquark charm del otro
Un dato de entrada necesario para interpretar el LHC y las observaciones de rayos cósmicos
- La composición interna fina del protón puede afectar la interpretación de la búsqueda de nuevas partículas elementales en el Large Hadron Collider
- En el LHC, se hacen chocar protones a gran velocidad y se observa qué sale, así que hay que saber qué había dentro del protón antes del choque
- Si aparecen de vez en cuando quarks charm pesados, los cálculos de la probabilidad de producir partículas aún más exóticas podrían alterarse
- Cuando un protón de rayo cósmico choca con un protón en la atmósfera terrestre, un quark charm que aparezca en el momento adecuado también puede producir neutrinos adicionales de alta energía
- En 2021, investigadores calcularon que este efecto podría hacer que lleguen a la Tierra neutrinos de mayor energía
- Eso podría confundir a los observadores que buscan neutrinos cósmicos de alta energía
Los siguientes experimentos apuntan a una estructura 3D y a un mapa del espín
- El equipo colaborador de Rojo planea continuar la exploración del protón buscando un desequilibrio entre quarks charm y antiquarks charm
- Componentes aún más pesados, como el quark top, también podrían aparecer en formas mucho más raras y difíciles de detectar
- Físicos del Brookhaven National Laboratory quieren poner en marcha en la década de 2030 el Electron-Ion Collider para obtener instantáneas del protón de alta resolución posteriores a HERA
- El EIC podría hacer posible la primera reconstrucción 3D del protón
- También planean usar electrones polarizados para crear un mapa del espín de quarks y gluones internos
- Sería el equivalente a lo que SLAC y HERA hicieron al cartografiar el momento
- Eso podría ayudar a acotar el origen del espín del protón y abordar preguntas fundamentales sobre esta partícula que constituye gran parte del mundo cotidiano
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Después de leer todo el artículo, se me ocurrió algo medio tonto. El electrón es una partícula elemental, así que es “simple” comparado con el protón, pero el electrón tiene carga -e y el protón tiene carga +e, por lo que las cargas son exactamente complementarias
Si el protón es una entidad tan compleja, me pregunto qué regla hace que tenga exactamente la carga opuesta a la del electrón. No entiendo por qué no es +1.8e, +3e o 0.1666e, sino exactamente +e, y también me pregunto si la pregunta en sí tiene sentido
Entiendo que el positrón tenga +e porque es la antipartícula del electrón, pero me parece extraño que el protón, aun siendo una maraña compleja de varias partículas elementales, termine teniendo exactamente +e
Si uno acepta el confinamiento de quarks, que está fuertemente respaldado por cálculos, teoría y experimentos, entonces también se sigue de manera natural que la carga del protón sea exactamente +1
O bien existen infinitos universos y nosotros existimos en el adecuado, o solo hay un universo y ese único universo casualmente salió bien; en cualquiera de los dos casos, somos bastante afortunados
https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
Estas cosas se agrupan hasta ser lo suficientemente estables; existen formas estables y, si hay suficientes, al final aparecen muchas formas estables. No es que algo equilibre todo mágicamente, sino más bien un proceso de asentarse en estados estables, y todavía hay mucha materia inestable
Está relacionado con la simetría C como simetría discreta, y también tiene conexiones con la invariancia de Lorentz
Aunque, en cierto sentido, también “tiene que” ser así. Sin equilibrio de cargas no existirían los átomos tal como los conocemos, ni la química que crea el mundo macroscópico en el que vivimos
No dudo de que los físicos cuánticos sepan de qué hablan, pero cuando leo frases como “su apariencia cambia según la forma de sondearlo”, “ni siquiera podemos imaginar lo complejo que es” o “contiene rastros de quarks charm más pesados que el propio protón”, me suena a excusa de un estudiante que hizo mal el cálculo y trata de convencer al profesor
Tal vez, si pudiéramos observar objetos fuera del espacio-tiempo, habría una superestructura oculta accesible; pero hasta entonces, más allá de la especulación, lo que tenemos es la reducción al espacio-tiempo
(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
Al mismo tiempo, cada uno asume que su postura es correcta y que todos están de acuerdo. En vez de consenso hay sectas, que se siguen dividiendo pero no logran reemplazar a la mayoría; hay una ortodoxia como la interpretación de Copenhague, y quienes cruzan la línea, como Everett, son marginados. Eso se parece más a una religión que a la ciencia
Otro síntoma es hacer que la gente demuestre su compromiso diciendo y haciendo cosas que son claramente absurdas. En el cristianismo, eso sería la Trinidad; en la mecánica cuántica, la dualidad onda-partícula cumple ese papel. Un punto-partícula con una longitud de onda de kilómetros no tiene sentido, y aun así se nos pide creer que las ondas de radio están hechas de fotones
Cuando la evidencia no es suficiente para alinear a todos, que el mejor argumento de cada tribu se reduzca a “nuestro jefe tribal lo dijo” revela el pensamiento mágico y la religiosidad humana
Al leer textos así, me da la impresión de que es como golpear una manzana con un martillo cada vez más fuerte y luego concluir que la manzana es plana y viscosa. Si la golpeas más fuerte, tal vez digas que la manzana es delgada como papel y caliente.
Me pregunto cómo saben que algunas de las partículas generadas en estos experimentos de colisión no estaban dentro del objeto impactado, sino que tampoco salieron rebotadas del fondo cósmico de microondas.
Seguro que los investigadores lo tuvieron en cuenta y que hay una buena explicación, pero que yo pueda entenderla es otra cosa.
Otra cosa extraña son las partículas virtuales, que pueden aparecer incluso sin energía. Se parecen en que son manifestaciones del mismo campo cuántico que las partículas con energía real, por ejemplo el campo del quark charm, pero se diferencian en que no pueden vivir mucho tiempo porque no transportan energía.
El mundo es muy raro, pero las matemáticas funcionan. Un protón se parece más a una bola de energía hirviente, donde los campos cuánticos de quarks up y down se mantienen “atrapados” en un lugar por una fuerza fuerte de color compleja. Dentro hay tanta energía que quiere escapar pero no puede, que constantemente aparece y desaparece algo.
Cada vez me cansa más esa forma de decir que “el protón es un objeto de mecánica cuántica que existe como una niebla de probabilidades hasta que el experimento lo hace adoptar una forma concreta”.
Acepto al 100% que la mecánica cuántica es una herramienta útil para modelar nuestra comprensión actual basada en observaciones cada vez más sofisticadas, pero me cuesta creer de fondo la idea de que un protón sea una sopa de energía cambiante que no se forma hasta que alguien llega y piensa en él.
Quizá si la realidad fuera una simulación calculada de forma aproximada, donde solo se asignan recursos de cómputo caros a las partes observadas. Y también estoy cansado de la hipótesis de la simulación.
En realidad sospecho que tal vez no observamos lo suficientemente bien, o no existimos en suficientes dimensiones como para entender lo que observamos, de modo que las secciones que podemos fijar nos parecen parte de un sistema probabilístico. Aun así, todavía apuesto a que todo esto podría ser un enorme Juego de la vida.
Si piensas en experimentos estadísticos reales como la aguja de Buffon, tiene que haber algo muy “estadístico” incrustado en la realidad misma. La mecánica cuántica lleva eso muy lejos, así que puede parecer complicada.
Cuando las partículas quedan ligadas a objetos macroscópicos, se vuelven más definidas y, como resultado, pueden hacer más definidas a otras partículas fundamentales que ellas “miden”. A la inversa, si interactúan con partes más borrosas de un objeto macroscópico, como el borde de una rendija, la partícula puede volverse más borrosa y ondulatoria.
Así que el protón realmente es una sopa cambiante, y nada más. Si lo golpeas con suficiente fuerza, lo perturbas por un instante hacia un estado un poco más definido que te dice algo, pero por las interacciones microscópicas caóticas en su interior vuelve enseguida a ser sopa.
La materia solo se ve nítida a nivel macroscópico; a nivel de partículas siempre es borrosa. Pero como las matemáticas que describen los intercambios de energía y momento entre “ondas” borrosas se parecen a bolitas rebotando, cuesta abandonar la idea de las bolitas. Creo que esto ocurre por casualidad, porque todas las fuerzas tienen cierto grado de simetría esférica.
Aquí, “niebla de probabilidades” significa que, para generar predicciones experimentales, hay que calcular repetidamente todas las configuraciones posibles que pueden adoptar los gluones y quarks dentro del protón.
La cantidad de cálculo es absurda, pero conceptualmente no es mejor ni peor que decir que las partículas son bolas de billar que se mueven según las ecuaciones de Newton. Simplemente estamos más acostumbrados a lo segundo, y si trabajas con algo como QCD en retículo, también te acostumbras por completo a que lo primero sea la regla física subyacente “real”.
La imagen de “una sopa cuántica cambiante de energía que no se forma hasta que alguien llega y piensa en ella” aparece mucho en la divulgación científica, pero no puede ser literalmente cierta. La mecánica cuántica ya existía perfectamente antes de que aparecieran personas que observaran y pensaran.
Un profesor solía decir con frecuencia que el protón es un basurero.
Por eso el LHC y otros colisionadores de hadrones tienen que operar con una luminosidad muy alta, es decir, una alta tasa de colisiones. Aunque choques dos protones, las partes que realmente interactúan casi siempre tienen solo una fracción muy pequeña de la energía total, así que muchas veces no obtienes la física interesante de alta energía que quieres sondear.
Sobre la frase “en realidad ni siquiera podemos imaginar lo complejo que es”, tal vez alguien sí pudo imaginarlo. Si no, toda esa complejidad habría producido una cantidad enorme de bugs y el universo se habría crasheado.
La verdadera pregunta es si corremos en bare metal, en una máquina virtual o en un contenedor.
La imagen del encabezado parece buena para usarla como fondo de pantalla. El enlace a tamaño completo es https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...
Me gustó la frase: “El protón es un objeto de la mecánica cuántica que existe como una niebla de probabilidades hasta que un experimento lo hace tomar una forma concreta”.
¿Podría la gravedad ser un efecto producido por una masa de forma indeterminada? ¿Como una especie de vacío dentro del espacio-tiempo?
Incluso con los mismos protones, neutrones y electrones, si cambias su velocidad o su disposición, la gravedad aumenta. La clave no es la masa simple, sino el tensor de energía-momento.
Para ver que “la gravedad podría ser el efecto de una masa de forma indeterminada” no es cierto, basta comparar estrellas y agujeros negros con quarks. El espacio entre quarks funciona como quarks distintos, más grandes o más pequeños, según la disposición instantánea de los quarks reales.
Si aplicamos la misma idea a una estrella muy grande, esa estrella debería comportarse a veces como un agujero negro, a veces como una supernova y a veces como una estrella, dependiendo de su posición, estado y quizá cambios espontáneos. En particular, si está muy lejos, al verse como un punto, esperaríamos que funcionara como un agujero negro, pero en realidad no es así.
Una estrella se ve como una estrella sin importar qué tan lejos esté. Si la realidad funcionara de esa manera, las galaxias cercanas tendrían muy poca materia oscura y las lejanas tendrían mucha materia oscura y serían muy pequeñas; pero en la práctica, las galaxias y la materia oscura son, en general, bastante similares sin importar la distancia.
Dicho eso, la pregunta en sí es bastante ambigua. La forcé, por diversión, dentro de un marco que produce una respuesta interesante, y no creo que responda mucho a lo que originalmente se quería preguntar.
¿Podría el universo ser infinitamente complejo? Algo así como tortugas infinitas, por decirlo de algún modo.
La idea de dualidades y duplicación en física me parece muy interesante. Todo tiene algo opuesto, y cuando esos opuestos se encuentran forman una unidad mayor, que a su vez parece tener también su propio opuesto.
https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
Por definición, podría existir algo que ya no se pueda resolver más y contra lo que simplemente sigamos chocando. ¿Habrá en la física algo parecido al teorema de incompletitud de Gödel?
La complejidad de la física fundamental está muy sobreestimada. Simplemente no es intuitiva. Incluso la célula más simple es varios órdenes de magnitud más compleja que un protón.