El radio efectivo de un quark dentro de un protón

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Las colisiones electrón contra protón en el colisionador alemán HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) permiten estimar el radio de un quark dentro de un protón. El resultado tras acumular 1 /fb de colisiones es un radio R < 0,43 × 10−16 cm al 95% CL, es decir, unas 2000 veces menor que el de un protón. En realidad el resultado obtenido es −(0,47 × 10−16 cm)² < R² < (0,43 × 10−16 cm)², al 95% CL, es compatible con cero.

El artículo es ZEUS Collaboration, “Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA,” Physics Letters B (12 Apr 2016), doi: 10.1016/j.physletb.2016.04.007; más info. en O. Turkot (On behalf of ZEUS Collaboration), “Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA,” 24th International Workshop on Deep-Inelastic Scatterring and Related Subjects, 14 April 2016 [slides in PDF]. Más información en Jon Butterworth (@jonmbutterworth), “Grains of sand in Hamburg. Because quarks are just too small,” The Guardian, 07 Apr 2016.

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HERA ha estudiado las colisiones electrón (y positrón) contra protón entre los años 1992 y 2007 (HERA I entre 1994 y 2000 y HERA II entre 2002 y 2007). El modelo estándar de la física de partículas predice que el radio de un quark debe ser cero (más pequeño conforme la energía del quark crece). Salvo que el quark esté compuesto de partículas más fundamentales (como el protón está compuesto de quarks y gluones), el tamaño de una quark se puede reducir hasta la escala de Planck (dándole una energía comparable a la escala de Planck). Por ello en colisionadores como HERA sólo podemos obtener una cota máxima a su radio.

 

 

 



4 Comentarios

  1. Asombroso resultado.
    Pero me hace pensar de nuevo en la precisión de la que hace gala LIGO a la hora de medir distancias.

    En este caso se emplean electrones de 26.5 Gev para medir una distancia de 0,43 10-18m.

    Teniendo en cuenta que la longitud de onda (de Broglie) de ese electrón es de 4.5*10-17m bueno… más o menos está en el orden de magnitud.

    Mi duda (originada por mi desconocimiento) es que cómo con el láser empleado en el interferómetro de LIGO que suponiendo que sea ultravioleta como máximo 10-8 metros se puede “medir” una distancia de 1/10000 el radio del protón…

    Me falta mnucha física para entenderlo. He leído que se emplea una técnica en la que se traspasa la incertidumbre en la medida de la longituid de onda a la fase de la misma pero me parece que son muchos órdenes de magnitud…

    No quiero creer, quiero entender 🙂

    1. Recuerda, Rafael, que LIGO mide diferencias de tiempos, no diferencias de distancias. Cada interferómetro de Fabry-Perot actúa como un reloj. Haz los cálculos y verás que la diferencia de tiempos de llegada de los fotones en cada brazo es fácilmente medible.

  2. Hola Francis,

    genial como siempre! Una duda, que quiere decir la frase: “el radio de un quark debe ser cero (más pequeño conforme la energía del quark crece)”? Quiere decir que aunque el radio siempre es 0 nuestro error al medirlo disminuye con la energía?

    Saludos,

    Gabriel

    1. Gabriel, el tamaño de una partícula viene dado por su longitud de onda de Compton, que depende de forma inversa de la energía. El “radio cero” significa que si exploras una partícula a mayor energía, su radio es más pequeño. Obviamente, si existe una energía máxima, existirá un radio mínimo. Pero no existe evidencia experimental al respecto. Por ahora todas las partículas se comportan como si tuvieran “radio cero”.

      Se puede afirmar que el tamaño de una partícula fundamental (como un electrón o un quark) es “contextual” (depende de cómo y con qué se mida). El tamaño de las partículas compuestas (como el protón) es “real” (no depende de cómo y con qué se mida). En rigor, no tiene sentido físico hablar del tamaño de una partícula fundamental sin especificar el contexto.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 20 abril, 2016
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