El experimento CLAS explora la fuerza fuerte dentro de los núcleos atómicos

Por Francisco R. Villatoro, el 27 febrero, 2020. Categoría(s): Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 8

Los protones (p) y neutrones (n), llamados nucleones (N), están ligados en el núcleo atómico por una fuerza fuerte efectiva. Hay modelos teóricos que la aproximan derivados de la cromodinámica cuántica (QCD), que describe la interacción entre quarks y gluones dentro de los nucleones. Para sesgar estos modelos y estimar sus parámetros se requieren experimentos. Se publica en Nature  el último resultado de la Colaboración CLAS que estudia la colisión de electrones de alta energía (5.01 GeV) contra núcleos de carbono, aluminio, hierro y plomo, con transferencias de momento lineal entre 0.4 y 1.0 GeV/c. A unos 0.65 GeV/c  se observa una transición entre una interacción NN dependiente del espín (que diferencia entre pp y pn) y una independiente del espín (sin esa diferencia). Este resultado ayudará a entender la materia en el centro de las estrellas de neutrones.

La interacción nucleón-nucleón (NN) es atractiva para distancias de pocos femtómetros (10−15 m), pero se vuelve muy repulsiva para distancias menores de un femtómetro. Así, los núcleos son estables cuando los nucleones están separados una distancia del orden de un femtómetro. Para transferencias de momento lineal por debajo de 0.35 GeV/c la fuerza fuerte entre nucleones se describe muy bien como un intercambio de piones. Pero se requieren modelos teóricos más complicados para transferencias mayores, las estudiadas por el experimento CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer), estudia la dispersión cuasielástica de electrones contra núcleos con emisión de dos nucleones (pp o pn) en el Jefferson Lab (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) en Newport News, Virginia (EEUU). Sus resultados indican que, incluso para transferencias de momento lineal del orden de 1 GeV/c, los nucleones retienen su identidad dentro de los núcleos, sin que se observen efectos debidos correlaciones entre nucleones en superposición cuántica. Así se pueden asumir que son objetos puntales en interacción con muy buena aproximación (toda una sorpresa para los que esperaban efectos cromodinámicos a distancias tan cortas).

El artículo es The CLAS Collaboration, «Probing the core of the strong nuclear interaction,» Nature 578: 540-544 (26 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2021-6; más información divulgativa en Alexandra Gade, «High-energy-electron scattering probes the strong nuclear interaction at close range,» Nature 578: 524-525 (26 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-00469-8.  Sobre CLAS, en este blog también puedes leer «La presión en el interior de un protón», LCMF, 27 may 2018; «Dudas sobre la medida de CLAS de la presión interior de un protón», LCMF, 06 jun 2019; «Cómo cambian los nucleones al ser confinados en un núcleo», LCMF, 21 feb 2019.

La interacción fuerte efectiva entre dos nucleones se puede describir como una teoría cuántica de campos efectiva. Para una transferencia de momento lineal de hasta 350 MeV/c, la interacción se describe muy bien mediante el intercambio de piones entre los nucleones (como muestra este diagrama de Feynman). El expermiento CLAS estudia qué pasa más allá, para transferencias de momento lineal entre 400 y 1000 MeV/c, donde se requieren teorías efectivas más complicadas.

Las teorías quirales efectivas que dependen del espín, que diferencian entre la interacción protón-neutrón y protón-protón, incluyen términos tensoriales, como lo que a veces se llaman teorías «gravitacionales» de la interacción fuerte. De hecho, el concepto de factores de forma gravitacionales para el nucleón fue introducido en 1966 por Heinz Pagels; yo prefiero usar el término tensorial en lugar de gravitacional, pues los incautos se podrían confundir y asociar estos términos con teorías de gravedad cuántica. Las teorías quirales efectivas que no dependen del espín, que no pueden diferenciar entre la interacción pn y pp, solo incluyen términos escalares.

En el experimento CLAS se analizan sucesos de coincidencia triple, en los que se observa el electrón y el protón resultado de la colisión cuasielástica del electrón contra el núcleo, junto con una pérdida de energía asociada al retroceso del núcleo, que es debida a la emisión de un segundo nucleón, que solo se observa si también es un protón. Podemos interpretar la colisión como si fueran bolas de billar; el electrón incidente con una energía de 5.01 GeV choca contra un protón del núcleo y rebota, saliendo expulsado (scattered electron en la figura); el protón es expulsado con un momento lineal de al menos el 60% del incidente y un ángulo en un cono de unos 25º. En el análisis cinemático del proceso indica que hay una pérdida de momento lineal (asociada al retroceso por la emisión del segundo nucleón); se seleccionan sucesos en los que se encuentra entre 0.4 y 1.0 GeV/c.

Los sucesos en los que se detecta el protón de retroceso se denominan A(e,e’pp), donde A es el núcleo usado en el blanco (12C, 27Al, 56Fe, o 208Pb). Los sucesos en los que no se detecta nada, pero en los que hay una pérdida de momento lineal asociada a la emisión de un neutrón se denominan A(e,e’p).

Los resultados observados (Data en la figura) se han comparado con las predicciones de los modelos teóricos efectivos (o fenomenológicos) tensoriales Argonne V18 (AV18) y χEFT a tercer orden (N2LO) y a cuarto orden (N3LO), y al modelo efectivo escalar Argonne V4′ (AV4′). Se observa que el modelo tensorial AV18 es el que mejor describe los resultados (para el carbono en esta figura). Por supuesto, hay detalles en los datos experimentales que no se describen bien con el modelo (ver figura a la derecha), con lo que ahora es el turno de los teóricos que tendrán que desvelar qué efectos hay que incorporar para dar cuenta de ellos.

Esta figura muestra el cociente A(e,e’pp)/A(e,e’p) en función del momento lineal del nucleón de retroceso; a la izquierda para el carbono comparado con las predicciones de los modelos teóricos y a la derecha para los cuatros núcleos comparado con el modelo tensorial AV18. Se observa que la fracción de sucesos con dos protones crece linealmente con el momento lineal del nucleón entre 400 y 650 MeV/c, alcanzando un valor más o menos constante a partir de ese valor. Este comportamiento indica una transición entre una interacción nucleón-nucleón (NN) dependiente del espín (tensorial) a una interacción NN independiente del espín (escalar) para los mayores momentos lineales explorados. Los modelos de campos efectivos quirales pueden describir esta transición solamente si incorporan una interacción tensorial; entre los modelos comparados el mejor ajuste se obtiene para AV18.

En resumen, un trabajo interesante para entender los núcleos atómicos y la ecuación de estado de la materia nuclear en las estrellas de neutrones. Como ya sabrás ha habido mucho interés en los últimos años en usar la kilonova que dio lugar a la onda gravitacional GW170817 y el brote de rayos gamma corto sGRB170817 para exploar esta ecuación de estado. Los nuevos resultados de CLAS tendrán que ser confrontados con los modelos que están proponiendo y nos ayudarán a entender mucho mejor las estrellas de neutrones.



8 Comentarios

    1. Javier, supongo que la sacas a colación porque se ha hecho eco de ella Philip Ball, «Wormholes Reveal a Way to Manipulate Black Hole Information in the Lab,» Quanta Magazine, 27 Feb 2020.

      La propuesta es muy interesante, aunque no hay que olvidar que hay decenas de propuestas similares en el último lustro. Ninguna ha sido realizada a nivel experimental. Tampoco aportarán mucho sobre la gravedad cuántica, per se, pues solo exploran ideas especulativas usando análogos físicos. Ello no quita que sean muy interesantes y que haya cierto interés en llevarlas a cabo. Habrá que estar al tanto de cuál es la primera en ser realizada y cómo afecta a las demás sus resultados.

    2. Como dice Francis estás ideas son bastante especulativas aunque en principio, son muy interesantes a nivel teórico. Creo que aún no entendemos muy bien las profundas implicaciones de la dualidad AdS/CFT y sus consecuencias «holográficas». Probablemente estas dualidades reflejan algo muy profundo sobre el funcionamiento de la naturaleza, por ejemplo, si consideramos un agujero negro como un espacio tiempo 4D asimptóticamente AdS toda la información relativa a su geometría-gravedad está contenida en una CFT 3D que «vive» en su borde asimptótico. Esto refleja una profunda relación entre geometría y teoría cuántica de campos. Parece claro que esta dualidad debe jugar un papel fundamental en el problema de la información en los AN ,sin embargo, ¿donde y como exactamente está almacenada la información? Teóricamente, si perturbamos un operador de la CFT dual estamos produciendo una perturbación gravitatoria en el lado AdS ¿Como debemos interpretar esto? Por otro lado no todas las CFT tienen una teoría con gravedad dual asociada, estas deben cumplir ciertos requisitos bastante estrictos. Mientras que la dualidad gauge/gravity está bastante bien establecida las ideas basadas en ER=EPR parecen más especulativas ¿todas las partículas entrelazadas están unidas por un wormhole? En el caso de partículas elementales este «agujero de gusano» debe ser algo bastante distinto «algo más cuántico» que el wormhole de un sistema macroscópico como un AN. Una vez más ¿Como debemos interpretar esto? Ya hay incluso propuestas para poder comprobar experimentalmente la validez de ER=EPR: si es cierta, el wormhole asociado debe contribuir a la entropía total del sistema y esto podría tener consecuencias medibles…
      En resumen, creo que la física moderna nos está indicando claramente que hay mucha física «exótica» y fascinante aun por descubrir. A nivel cuántico, la propia geometría del espacio-tiempo debe «fluctuar» y «superponerse», el propio espacio-tiempo debe estar constituido de una superposición de distintas geometrías-topologías… ¿llegaremos algún día a comprender la naturaleza del propio espacio-tiempo? Aunque aun nos falta bastante, ya hay algunas propuestas fascinantes… ¿podremos ponerlas a prueba experimentalmente a corto plazo? Sea cual sea la respuesta el viaje promete ser apasionante…

  1. Hola,tengo algunas dudas :1. tanto para el rechazo como para la atracción en la interacción nucleón-nucleón se produce intercambio de piones? 2. En la atracción protón-protón se logra vencer la fuerza electrostática repulsiva de ambos nucleones en cuantos órdenes de magnitud ? 3.cuando se aproximan dos electrones, que partículas se intercambian para generar la repulsión y de donde provienen?. gracias por difundir conocimiento científico.

    1. Androstar, (1) la teoría efectiva (es decir, aproximada a cierta escala de energía, o sea, a ciertas distancias) que aproxima la interacción entre nucleones mediante el intercambio de piones explica el pozo de potencial por el que preguntas. (2) La interacción fuerte atractiva entre dos protones dentro del núcleo es unas cien veces más intensa que la repulsión electromagnética (recuerda el número 1/137). Y (3) en la electrodinámica se interpreta la interacción repulsiva entre electrones como un intercambio de fotones virtuales (que no son partículas, son partículas virtuales); no tiene sentido la pregunta de ¿dónde vienen?; lo que repele a los electrones es su acoplamiento al campo electromagnético.

  2. Lo que me confunde es que cuando se habla del interior del núcleo se menciona a los gluónes que mantienen confinados a los quarks , y cuando se refieren a la interacción entre nucleones, surgen los piones tanto para generar rechazo o una poderosa atracción .

  3. Gaditano:

    El núcleo de un átomo es un objeto físico extremadamente complejo; dentro de este no existen estados de nucleón bien definidos; imaginar el núcleo atómico como un estado ligado de cierto número de nucleones es sólo una aproximación a la realidad.

    Un ejemplo, un neutrón libre tiene una vida media del orden de minutos mientras que un neutrones ligados a los nucleos de átomos estables son estables también ¿A qué se debe esto? Primordialmente al hecho de que la mecánica cuántica vuelve inevitables las transiciones «neutrón-protón» en tiempos menores a la vida media del neutrón, luego estos últimos se vuelven «estables dentro del núcleo» (en la aproximación semi-clásica donde hace algún sentido suponer que existen nucleones en el núcleo).

    De manera que la imagen clásica del núcleo es un estado ligado de nucleones confinados por un potencial clásico, «la primer corrección cuántica» modifica esta imagen introduciendo las mencionadas transiciones p-n; es aquí donde puedes suponer que la interacciones entre nucleones se dan por intercambio de mesones (tanto si los nucleones están libres como si no lo están). Pero debería quedar claro que esto es sólo una aproximación (semi-clásica) pues la mecánica cuántica modifica severamente esta imagen.

    Para profundizar en la compleja estructura de los nucleones Te recomiendo leer en este blog:

    https://francis.naukas.com/2019/02/21/como-cambian-los-nucleones-al-ser-confinados-en-un-nucleo/
    https://francis.naukas.com/2018/11/28/la-contribucion-del-campo-de-higgs-a-la-masa-del-proton/
    https://francis.naukas.com/2012/04/30/la-masa-de-un-proton-la-masa-de-sus-quarks-y-la-energia-cinetica-de-sus-gluones/

    Saludos

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