La extrañeza y los gluones del protón aportan el 0,8% y el 50% de su momento magnético

Dibujo20170413 proton internal structure schematics nature21909

El protón contiene pares virtuales de quark extraño y antiquark extraño. Mediante QCD en redes (LQCD) se ha determinado su contribución al momento magnético y a la distribución de carga eléctrica del protón. En promedio, los quarks extraños se distribuyen un poco más lejos del centro del protón que los antiquarks extraños. Esta asimetría en la distribución total de carga hace que contribuyan un (0.8 ± 0.2)% al momento magnético del protón según el último resultado de la Colaboración χQCD.

Una aportación tan pequeña no resuelve el misterio del momento magnético anómalo del protón. Los quarks de valencia contribuyen un 30% del total y falta un 70%. La Colaboración χQCD también ha estimado la contribución de los gluones. Su resultado es que contribuyen del orden del 50% del total. Si sumas verás que aún falta del orden de un 20%. El misterio del origen del espín del protón aún sigue abierto.

El artículo es Raza Sabbir Sufian, Yi-Bo Yang, …, Keh-Fei Liu (χQCD Collaboration), “Strange Quark Magnetic Moment of the Nucleon at the Physical Point,” Physical Review Letters 118: 042001 (27 Jan 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.042001, arXiv:1606.07075 [hep-ph]. Más información divulgativa en Ross D. Young, “Strangeness in the proton,” Nature (12 Apr 2017), doi: 10.1038/nature21909.

Sobre la contribución de los gluones, remito al artículo de Yi-Bo Yang, Raza Sabbir Sufian, …, Yong Zhao (χQCD Collaboration), “Glue Spin and Helicity in the Proton from Lattice QCD,” Physical Review Letters 118: 102001 (06 Mar 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.102001, arXiv:1609.05937 [hep-ph]. Más información divulgativa en Steven D. Bass, “Spinning Gluons in the Proton,” Physics 10: 23 (06 Mar2017), y en Shannon Brescher Shea, “How did the Proton Get Its Spin?” DOE Office of Science, 29 Mar 2017.

Dibujo20170413 proton spin from 1980s upto now science energy gov news 2017 03-29-17

Como ya sabes, los quarks tienen seis sabores: arriba (u), abajo (d), extraño (s), encanto (c), fondo (b) y cima (t). Los tres más ligeros (u, d y s) tienen una masa menor que la del protón. Por ello, el protón contiene infinidad de pares virtuales quark-antiquark de tipo u, d y s; además de una infinidad de gluones virtuales que los relacionan y se relacionan entre sí. La contribución total de los quarks de valencia u y d suma exactamente tres, mientras la debida a los quarks extraños suma cero (por ello no son quarks de valencia). Sin embargo, su efecto dentro del protón es calculable (mediante LQCD) y medible (mediante experimentos que colisionan electrones de alta energía contra protones). Igualmente ocurre con la contribución de los gluones (de hecho, en muchos experimentos se prefiere el término partones, para referirse de forma común a quarks y gluones cuando no son observacionalmente distinguibles).

Dibujo20170413 Comparison strange magnetic moment arxiv 1606 07075

Calcular las propiedades del protón usando la cromodinámica cuántica (QCD) en redes (o en el retículo), en inglés Lattice QCD o LQCD, requiere el uso de los supercomputadores más potentes del mundo. El nuevo trabajo ha usado el sistema Cray XK7 llamado Titan, que se encuentra en Centro de Supercomputación de Oak Ridge en Tennessee (OLCF, por Oak Ridge Leadership Computing Facility); usa procesadores Opteron 6274 de 16 núcleos a 2,2 GHz, totalizando 560 640 núcleos. En noviembre de 2012, Titan fue el número 1 del TOP500; en la última lista, de noviembre de 2016, ha bajado hasta el puesto número 3; alcanzó un pico de 17,6 petaflops por segundo (17590 TFlop/s).

Dibujo20170413 Strange magnetic moment and Strange charge radius arxiv 1606 07075

Se ha usado un modelo LQCD con (2 + 1) sabores en cuatro configuraciones (con diferente parámetro de red a): 24I (a = 0,1105(3) fm), 32I (a = 0.0828(3) fm), 32ID (a = 0.1431(7) fm) y 48I (a = 0.1141(2) fm). Se han considerado masas para el pión en el rango mπ ∈(135, 400) MeV. El momento magnético GMs y el radio de carga <rs2>E, asociados a los quarks extraños son función del momento Q2 y de la masa del pión mπ, en concreto GMs(Q2, mπ) y <rs2>E(mπ).

Los valores finales obtenidos (para la masa física del pión) son GMs(Q2=0) = −0.064(17) µN, GMs(Q2=0.1 GeV2) = −0.037(10)(05) µN, y <rs2>E = −0.0043(21) fm2, donde los errores (entre paréntesis) tienen origen sistemático y µN es el momento magnético del nucleón (el de un fermión de Dirac con su masa); recuerda que el momento magnético total del protón medido en los experimentos es μp = 2.7928473508(85) μN. Futuros experimentos tendrán que verificar las estimaciones LQCD para la contribución de la extrañeza del protón, e incluso mejorar su determinación.

Dibujo20170413 gluon spin contribution as function of valence pion mass arxiv 1609 05937

Los gluones son bosones de espín 1 y los quarks son fermiones de espín 1/2. Los gluones contribuyen al espín del protón vía sus momentos angulares orbital y de espín. Su contribución depende del momento con el que se explora el protón (Q2). Cuando se calcula mediante LQCD también depende de la masa del pión y la configuración de la simulación; en el nuevo estudio se han usado cinco configuraciones llamadas 32ID, 48I, 24I, 32I, y 32If (no quiero entrar en más detalles).

Esta figura ilustra la contribución del espín del gluón en función de la masa del pión para estas configuraciones. El resultado final, para la masa física del pión, que se ha obtenido es que la contribución del gluón es de ∆G(µ2 = 10 GeV2) ≈ SG(∞, µ2 = 10 GeV2) = 0.251(47)(16), que corresponde al 50(9)(3)% del espín total del protón. Como ves el error es grande, pero incluso en el mejor caso, no resuelve de forma completa el misterio.

El protón, el núcleo del átomo de hidrógeno, en toda su sencillez, y en toda su complejidad, aún sigue siendo misterioso. Calcular sus propiedades ab initio usando QCD (en rigor LQCD), aún sigue siendo imposible. Todos los físicos confiamos en que algún día sea posible y quede confirmada la predicción más relevante de la QCD, el protón. Hasta entonces tendremos que seguir midiendo sus propiedades mediante experimentos (colisionadores de electrones contra protones y de electrones contra iones pesados).

4 Comentarios

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Jorge GonzalezJorge Gonzalez

disculpa mi total ignorancia en cuanto al tema del momento magnético , ¿ pero entónces si se conoce ya el orígen de este mismo para el neutrón y el electrón ?, saludos desde México

GroovyGroovy

Francis, buen artículo, tanto por el contenido como por las imágenes que insertas. Por el contenido, porque explicas con claridad las lagunas que existen a día de hoy; y por las imágenes, porque permiten visualizar que la respuesta a este misterio no está lejana.

Dos notas breves. Si los gluones son bosones y los quarks son fermiones ¿de qué manera cabe distinguirlos en las colisiones de alta energía?, en esa circunstancia sus respectivas identidades parecen confundirse. Por último, ¿por qué es necesario invocar a los gluones para explicar el espín del protón? ¿No basta con ceñirse al impacto que recibe el protón en las colisiones sin hacer más complejo el modelo? En este sentido, la modificación de los momentos angular y orbital del protón en la colisión sería suficiente sin necesidad de conjeturar la acción de los partones.

Francisco R. Villatoro

Groovy, en las interaccciones entre electrones y protones solo se pueden explorar los quarks (tanto de valencia como virtuales); se observó que daban cuenta del 50% del momento total del protón, luego el resto debe estar asociado a los gluones; la observación directa de gluones se logró gracias a colisiones de leptones (electrón contra positrón) que producen tres chorros, lo que exige la producción de un par quark-antiquark y un gluón; un número impar requiere la existencia de gluones. Solo se observan chorros hadrónicos (dado que tanto quarks como gluones no pueden existir libres y siempre se hadronizan); luego solo son distinguibles de forma indirecta. Por otro lado, el espín del protón, como es una partícula compuesta, se calcula sumando los espines (y momentos angulares) de todos sus constituyentes.

No entiendo tu última pregunta. El modelo es muy sencillo, pero la QCD es fuertemente no lineal, presentando libertad asintótica y confinamiento, de ahí que existan objetos “complejos” en la Naturaleza. No se hace más complejo el modelo (que es muy, pero muy sencillo). Lo complejo es la Naturaleza observada. En las colisiones del LHC se observan colisiones protón contra protón que producen hasta ocho chorros hadrónicos. Si el protón fuera más sencilla, lo observado sería más sencillo.

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