El espín del nucleón explicado gracias a la QCD en el retículo

Dibujo20170616 nucleon spin left and momentum right decompositions arxiv 1706 02973

Los hadrones que forman los núcleos atómicos, el protón y el neutrón, se llaman nucleones. El nucleón es un fermión de espín JN = 1/2. El problema del espín del nucleón consiste en determinar la contribución a dicho espín de los quarks de valencia, los pares quark-antiquark virtuales y los gluones. Usando cromodinámica cuántica en el retículo (Lattice QCD) se ha determinado que la contribución de los quarks es Ju+d+s=0,408(61)est.(48)sist. y la de los gluones Jg = 0,133(11)est.(14)sist., lo que totaliza JN = 0,54(6)est.(5)sist. (un valor consistente con el espín del nucleón).

El valor Ju+d+s es la contribución intrínseca de los quarks más la de su momento angular; separando esta primera resulta un valor igual a 0,201(17)est.(5)sist.. Estos resultados se muestran en la parte izquierda de la figura. La parte de la derecha de la figura muestra las fracciones del momento lineal <x> del nucleón debidas a los quarks y a los gluones, en concreto <x>u+d+s + <x>g = 0,804(121)est.(95)sist. + 0,267(12)est.(10)sist. = 1,07(12)est.(10)sist., que son compatibles con el momento total. Todas estas magnitudes se han estimado usando una masa renormalizada a 2 GeV.

El problema del espín del nucleón ha estado abierto desde que en el año 1987 se descubrió que los quarks de valencia solo dan cuenta de una pequeña parte de dicho espín. El nuevo resultado aún no se puede considerar una solución definitiva al problema (los errores superan el 10%). Sin embargo, es un paso firme hacia su solución. El artículo es Alexandrou, M. Constantinou, …, C. Wiese, “The nucleon spin explained using lattice QCD simulations,” arXiv:1706.02973 [hep-lat].

Dibujo20170616 up down strange quark intrinsic spin contributions to the nucleon spin versus the pion mass arxiv 1706 02973

No quiero entrar en los detalles de la simulación computacional desarrollada, los interesados pueden consultar el artículo. Solo quiero destacar esta figura, que compara los nuevos resultados (rombo en rojo) con los obtenidos en el pasado, en función de la masa del pión (cuyo valor observacional es 0,139 GeV). Se trata de la primera estimación de la contribución de los quarks extraños (s) virtuales al espín del nucleón para dicha masa. Recuerda que estos quarks s también contribuyen, aunque los quarks de valencia del protón y del neutrón sean de tipo up (u) y down (d). No aparece en la figura, pero la estimación del quark charm (c) según la simulación es despreciable (compatible con cero).

En resumen, la cromodinámica cuántica (QCD) es una teoría demasiado complicada para aspirar a entender las propiedades del nucleón mediante aproximaciones analíticas; el uso de superordenadores es imprescindible, gracias a la QCD en el retículo. Los avances son lentos, pero poco a poco nos estamos aproximando a una solución definitiva al problema del espín del nucleón.


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