SeaQuest/E906 muestra que el protón contiene más antiquarks virtuales de tipo abajo que de tipo arriba

Por Francisco R. Villatoro, el 1 marzo, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 23

La cromodinámica cuántica (QCD) describe la interacción entre quarks y gluones. Según la QCD, el protón es una partícula compuesta por tres quarks de valencia, dos quarks arriba (up) y un quark abajo (down), en un «mar» de gluones y pares quark–antiquark virtuales. Se publica en Nature una nueva observación de que el protón contiene un mayor número de antiquarks virtuales de «sabor» abajo que de «sabor» arriba. Los primeros indicios son de 1991, siendo la primera observación firme la obtenida en 2001 por el experimento NuSea/E866 en el Fermilab. Ahora el experimento SeaQuest/E906, también en el Fermilab, obtiene un resultado mucho más claro. Lo fascinante es que aún no tenemos una explicación definitiva de este fenómeno en el marco de la QCD no perturbativa; la gran complejidad matemática de esta teoría aún nos reserva muchas sorpresas.

El (anti)quark arriba tiene una masa de 2.3 ± 0.4 MeV/c², más o menos la mitad que los 4.8 ± 0.3 MeV/c² del (anti)quark abajo, ambas muy pequeñas comparadas con la masa del protón 938.3 MeV/c² [PDG]. Podría parecer que esta diferencia implica que debería haber más pares quark–antiquark virtuales de tipo arriba que de tipo abajo. Sin embargo, la masa de las partículas de un campo cuántico influye muy poco en las excitaciones de vacío de dicho campo, que es lo que representan las partículas virtuales; así la QCD perturbativa cumple con la llamada simetría de «sabor» (o simetría de isospín), que implica que el «mar» de pares quark–antiquark virtuales en el protón es independiente del «sabor» (o sea, que hay el mismo número de antiquarks arriba que antiquarks abajo). Sin embargo, múltiples experimentos en las últimas décadas, así como múltiples estudios teóricos, apuntan a que fenómenos no perturbativos en QCD implican que los antiquarks abajo son más numerosos que los antiquarks arriba en el «mar» de pares quark–antiquark virtuales. El nuevo resultado experimental es el último que lo apoya de forma más clara y más significativa.

El artículo es J. Dove, B. Kerns, …, Z. Ye, «The asymmetry of antimatter in the proton,» Nature 590: 561-565 (24 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03282-z; más información divulgativa en Haiyan Gao, «Antimatter in the proton is more down than up,» Nature 590: 559-560 (24 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00430-3. Recomiendo leer la excelente pieza de Natalie Wolchover, «Decades-Long Quest Reveals Details of the Proton’s Inner Antimatter,» Quanta Magazine, 24 Feb 2021, que destaca el papel del grupo de Mary Alberg, Univ. Seattle, en los modelos pión–nucleón.

Source: Rep. Prog. Phys. (2019), doi: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab05a7.

El contenido en quarks arriba (u), abajo (d) y extraño (s) del protón —el de quark encanto (c) es despreciable— viene determinado por sendas distribuciones de probabilidad u(x), d(x) y s(x), donde x\in[0,1] es la fracción de momento lineal del protón; en la misma línea su contenido de antiquarks viene dado por las distribuciones \bar{u}(x), \bar{d}(x) y \bar{s}(x). La simetría de «sabor» implica que estas distribuciones también describen el neutrón, es decir, que d_n(x)=u(x), u_n(x)=d(x), s_n(x)=s(x), etc. Cuando se dice que el protón está formado por tres quarks de valencia, dos arriba y uno abajo, lo que se quiere decir es que

\displaystyle \int_0^1 (u(x)-\bar{u}(x))\,dx = 2, \quad \int_0^1 (d(x)-\bar{d}(x))\,dx = 1, \quad \int_0^1 (s(x)-\bar{s}(x))\,dx = 0.

 

Para comparar el contenido de quarks y de antiquarks del protón se suele recurrir a la regla de la suma. Fue introducida en 1967 por Kurt Gottfried [PRL] para entender ciertos resultados observados en la dispersión de electrones contra protones. La famosa regla de la suma es

\displaystyle S_G = \frac{1}{3}\, \int_0^1 (u_V(x)-d_V(x))\,dx + \frac{2}{3}\, \int_0^1 (\bar{u}(x)-\bar{d}(x))\,dx,

 

donde el primer término hace referencia a los quarks de valencia y el segundo a los antiquarks virtuales del «mar» de pares quark–antiquark.

La predicción teórica para la distribución de quarks y antiquarks en el interior de un protón según la QCD requiere considerar efectos perturbativos y no perturbativos. Los efectos perturbativos dan cuenta de la producción de pares quark–antiquark virtuales en el «mar» de gluones, los llamados «quarks del mar» (por cierto, para evitar la paronimia en inglés entre «c quarks» y «sea quarks» algunos físicos prefieren hablar de «ocean quarks»). Los efectos no perturbativos dan cuenta de otros fenómenos, como la dispersión pión-nucleón virtual mostrada en el diagrama de Feynman de arriba (en la que el protón temporalmente se transforma en un neutrón y un pión positivo virtuales para más tarde recuperar su naturaleza original). La dispersión pión-nucleón está caracterizada por el llamado «bloqueo de Pauli» (Hans A. Bethe, 1973); en este proceso el principio de exclusión de Pauli limita el espacio de fase para los quarks virtuales con «sabor» dominante, lo que implica un exceso de antiquarks abajo respecto a los antiquarks arriba, o sea \bar{d}(x)>\bar{u}(x) (Richard D. Field y Richard P. Feynman, 1977).

Hasta 1989 se pensaba que dominaban los efectos perturbativos y que la contribución del «bloqueo de Pauli» era muy pequeña; así, el consenso entre los físicos teóricos era que se cumplía la simetría de «sabor» y \bar{d}(x)=\bar{u}(x). Por ello se pensaba que el segundo sumando en la suma de Gottfried era nulo, por lo que S_G = 1/3. Como siempre en ciencia, ante nuestros prejuicios teóricos hay que dejar hablar a la Naturaleza mediante experimentos y observaciones.

Source: Rep. Prog. Phys. (2019), doi: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab05a7.

Ya en 1970, Sidney Drell y Tung-Mow Yan [PRL1, PRL2] propusieron un experimento para determinar la contribución de los antiquarks en la suma de Gottfried. Se hace incidir un haz de protones de alta energía contra un blanco de cierto elemento químico; los quarks (antiquarks) del haz de protones pueden aniquilarse con antiquarks (quarks) del blanco, produciendo un fotón virtual que se desintegra en un par leptón–antileptón (tanto electrón–positrón como muón–antimuón). Comparando los resultados cuando se usan blancos de hidrógeno (protones) y deuterio (protones y neutrones) se logra estimar el cociente \bar{d}(x)/\bar{u}(x) a partir de la distribución de los muones y antimuones observados.

Los primeros indicios experimentales de que \bar{d}(x)/\bar{u}(x) > 1 aparecieron a finales de los 1980. Se decidió usar el colisionador SPS del CERN —que se usó paar descubrir los bosones W y Z— para estudiar la suma de Gottfried usando el experimento de Drell–Yan. La colaboración EMC (European Muon Collaboration) publicó en 1987 que \bar{d}(x)/\bar{u}(x) > 1, aunque con una incertidumbre muy grande. Todo cambió en 1991, cuando la colaboración NMC (New Muon Collaboration), también en el CERN, publicó que S_G = 0.240 \pm 0.016 (una evidencia a seis sigmas de que S_G < 1/3, con lo que el segundo término de la suma de Gottfried debe ser negativo) [PRL]; en 1994 se acumularon más datos y se reevaluó esta medida a S_G = 0.235 \pm 0.026 (reduciendo la evidencia a unas cuatro sigmas) [PRD]. También en 1994, la colaboración NA51 (North Area 51) en el CERN estimó que \bar{u}/\bar{d}(x=0.18) = 0.51 \pm 0.04 \pm 0.05, es decir, en este punto el número de antiquarks abajo duplica el de antiquarks arriba [PLB]. Había que estudiar la distribución para otros valores de x.

Source: Rep. Prog. Phys. (2019), doi: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab05a7.

En 2001, la colaboración NuSea/E866 del Fermilab (EE. UU.) publicó un nuevo resultado para \bar{d}/\bar{u} usando quince puntos en el eje x [PRD]. Como muestra la figura, se obtuvo un valor de \bar{d}/\bar{u}>1, excepto para x \gtrapprox 0.3; en este último caso la incertidumbre es tan grande que no se puede descartar que también \bar{d}/\bar{u}>1. Varios grupos de físicos teóricos se propusieron entender este resultado. En esta figura se destaca el resultado del grupo CTEQ (Coordinated Theoretical-Experimental Project on QCD). Sus resultados publicados en 2002, CTEQ6 [JHEP], y en 2010, CTEQ10 [PRD], eran compatibles con valores \bar{d}/\bar{u}<1 para x\gtrapprox 0.3; sin embargo, sus resultados más recientes, publicados en 2016, CTEQ14 [PRD], predecían \bar{d}/\bar{u}>1 para todo x. Otros estudios independientes apoyaban esta última conclusión, como Alberg y Miller [NPA, 2015], y Basso et al. [NPA, 2016]. Había que volver a escuchar a la Naturaleza.

Source: Dove et al. Nature (2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03282-z.

Ahora en 2021 se publica en Nature el resultado de la colaboración SeaQuest/E906, también en el Fermilab, la mejor estimación observacional del contenido de antimateria del protón hasta ahora. Como se observa en la figura, \bar{d}/\bar{u}>1 incluso para x \approx 0.4 (los nuevos datos son los puntos rojos rodeados de un cuadrado amarillo, que indica su error sistemático). Además, la tendencia de los datos apunta a que \bar{d}/\bar{u}>1 para todo x, en la misma línea que las predicciones teóricas citadas. Sin embargo, no se pueden lanzar las campanas al vuelo; que el experimento SeaQuest/E906 muestre resultados en contradicción con el experimento NuSea/E866 no es suficiente para refutarlo, se necesitan más evidencia independiente. Un futuro experimento tan preciso como SeaQuest/E906 es imprescindible para dilucidar la cuestión.

Hay varios mecanismos que se han propuesto para explicar estas observaciones, pero todavía no se conoce la respuesta definitiva. Una respuesta clásica, que ya he mencionado, es el «bloqueo de Pauli», que afirma que el quark u de valencia extra en el protón bloquea la formación de pares u\mbox{-}\bar{u} por el principio de exclusión de Pauli; por desgracia, no está clara su predicción de la dependencia con x para el cociente \bar{d}(x)/\bar{u}(x), habiendo indicios de que difiere de las observaciones. Otra posibilidad son los efectos no perturbativos observados en modelos de solitones quirales para explicar la formación de pares mesón-barión virtuales; estos modelos predicen que \bar{d}(x)/\bar{u}(x) crece de forma monótona con x, algo que no se observa de forma clara en los experimentos. Y, finalmente, debo mencionar que, por desgracia, las simulaciones ab initio usando QCD en el retículo (lattice QCD) aún no son capaces de predecir el cociente \bar{d}(x)/\bar{u}(x); solo nos queda desear que se logre en los próximos años gracias a los resultados de las simulaciones por ordenador en la exaescala que están en curso.

En resumen, un resultado que puede sorprender a muchos, sobre todo si aparece en titulares que destacan el contenido de antimateria del protón sin aclarar que se trata de antimateria virtual. Se ha observado de nuevo que el protón contiene más antiquarks virtuales de tipo abajo que de tipo arriba. Ahora la observación es mucho más clara, pero se necesitan nuevas observaciones independientes. Un fenómeno que podría tener una explicación no perturbativa en la QCD, con lo que parece ideal para explorar este régimen de la QCD que aún nos oculta muchos misterios. Imagina que la QCD no pudiera explicar estas observaciones, imagina la revolución que supondría que hubiera que modificarla. Sin lugar a dudas las próximas décadas serán apasionantes.



23 Comentarios

  1. Si no es en la masa entonces cual es la función o contribución de las partículas virtuales que aparecen y desaparecen en el interior de los nucleones? o es la misma que hacen los electrones y positrones virtuales cuando 2 electrones se acercan?

  2. A ver si entiendo algo en una escala simple : como los quark de valencia están tan confinados dentro del nucleón existe una fuerte interacción entre ellos mediada por los gluones , ahora , mi duda va al comparar el caso de los electrones que cuando interaccionan entre ellos se produce el esperado rechazo ; esta interacción es mediada por partículas virtuales? y si es así, esas partículas son responsables de generar la carga del electrón o esa carga es intrínseca a él ?

    1. Branco:

      Le recomiendo la entrada «La masa de un protón, la masa de sus quarks y la energía cinética de sus gluones» https://francis.naukas.com/2012/04/30/la-masa-de-un-proton-la-masa-de-sus-quarks-y-la-energia-cinetica-de-sus-gluones/ . En esta, Francis explica de maravilla la estructura interna del protón. En particular explica porque no es exactamente correcto pensar en los quarks de valencia como «confinados dentro del protón».

      Sobre sus preguntas: La estructura de tres quarks de valencia que se menciona en los libros es una aproximación efectiva a la complicadísima estructura interna del protón, aún en esta aproximación, es correcto pensar en que la interacción (también efectiva) entre quarks de valencia está mediada por partículas virtuales. El caso del electrón es diferente; el campo del electrón tiene exitaciones «on-shell» cuyas interaciones efectivas son producidas por «el intercambio de fotones virtuales». En resumen, en ambos casos las interaciones se pueden considerar como mediadas por partículas virtuales.

      Su pregunta sobre el origen de la carga del electrón es bastante buena. En pocas palabras, el origen de la carga tiene relación con la invariancia de norma de la teoría de Maxwell. Recomiendo la respuesta de wonderich a la pregunta «Is there any theory for origination of charge?» https://physics.stackexchange.com/questions/72847/is-there-any-theory-for-origination-of-charge/102614#102614

      Mas referencias en este extraordinario blog:

      Los conceptos de campo, partícula, partícula virtual y vacío https://francis.naukas.com/2012/08/15/los-conceptos-de-campo-particula-particula-virtual-y-vacio/

      La masa de los tres quarks más ligeros https://francis.naukas.com/2013/11/19/la-masa-de-los-tres-quarks-mas-ligeros/

      Un saludo.

  3. Tengo una duda : la interacción fuerte mediada por los piones para mantener unidos a los nucleones es menos fuerte que la mediada por los gluones para mantener unidos a los Quark? y por qué se menciona indistintamente interacción fuerte sin mostrar las diferencias.

    1. Rafa, a baja energía, el acoplamiento entre quarks y gluones se vuelve muy fuerte, siendo imposible un tratamiento perturbativo de la cromodinámica cuántica (que se usa a altas energías, por ejemplo, en las colisiones en el LHC). A baja energía se puede usar una teoría de campos efectiva, que permite usar técnicas perturbativas para describir la interacción nucleón-nucleón mediada por piones. La teoría efectiva y la teoría QCD reciben el nombre de interacción fuerte, pero ni son la misma cosa, ni son comparables.

      Por otro lado, es muy difícil comparar las constantes de acoplamiento (que no son constantes pues dependen de la energía) entre la QCD y la interacción fuerte efectiva, pues esta última no es renormalizable y no está caracterizada por una única constante de acoplamiento, sino por una serie infinita de ellas, que depende de qué variante concreta se use para la interacción efectiva (hay muchas variantes). Simplificando al extremo, se puede afirmar que las constantes de acoplamientos de la QCD y la interacción fuerte efectiva a cierta energía son comparables en magnitud (no se puede decir que una sea menos fuerte o más fuerte).

  4. «los antiquarks abajo son más numerosos que los antiquarks arriba en el «mar» de pares quark–antiquark virtuales», pero si emergen del vacío en pareja (por ley de conservación) y se aniquilan en millonésimas de segundo, como pueden quedar algunos más que otros?

  5. Hola Francis,
    me pregunto si continúan produciéndose leptones y quark nuevos a partir de los campos conocidos? porque siempre se habla de aniquilación de partículas por colisión con antipartículas – lo cual da como resultado rayos gamma, si no me equivoco – en este caso la energía va de un campo a otro . Me imagino que debe existir una forma en que nazcan nuevas partículas fundamentales .

    1. Neo, no te confundas, cada partícula es resultado de la excitación de varios campos (cuatro para fermiones de Dirac como los leptones cargados y los quarks, dos para la partícula y dos para la antipartícula); el descubrimiento de nuevas partículas aún desconocidas es equivalente al descubrimiento de nuevos campos (cuyo número depende del espín). En las colisiones del LHC se buscan colisiones con «pérdida de energía» que estaría asociadas a nuevos campos (o partículas) aún no descubiertos, pero a día de hoy no se ha observado ninguno. Recuerda, lo fundamental es el campo, la partícula y el vacío son estados del campo (los campos no lineales pueden tener otros estados, como monopolos, instantones, etc., aunque aún no se ha observado ninguno, se están buscando en el LHC y otros colisionadores).

      1. Creo que me expresé mal, me refiero a que por ejemplo los protones según cálculos podrían decaer con una semi-vida de aproximadamente 10^32 años , mi pregunta es si se siguen formando estas partículas, o mejor dicho cuantas quedan desde que se formaron . entiendo que dentro del núcleo protones y neutrones pueden transformarse unos en otros en isotopos inestables y por ello sería difícil que tu o yo portásemos un nucleón formado durante el Big bang, pero que pasa con los electrones ? si ellos son partículas fundamentales y no se transforman en otras y solo se aniquilan cuando se encuentran con un positrón o son atrapados en los núcleos atómicos de las estrellas de neutrones o son emitidos a cada momento durante la desintegración beta . en fin, yo podría decir que porto una gran cantidad de electrones 100% nacidos en el origen del Big bang?

        1. Neo, ya sabemos que la vida media del protón es superior a 1.7 × 10³⁴ años. La teoría GUT más sencilla, basada en SU(5), prefiere una vida media de unos 10³² años por ello se considera que está descartada (aunque se puede modificar para que acepte hasta 10³⁶ años). Otras teorías GUT permiten vidas medias mucho mayores y aún no están descartadas.

          Todos tus protones, neutrones y electrones tienen un origen primordial (los que lo tienen son trazas despreciables en un porcentaje).

  6. La intensidad de la fuerza que une los nucleones mediada por los piones disminuye con la separación, en cambio la mediada por los gluones y que une los quark es al revés . En vista de esta diferencia por qué no llevan nombre distinto?

    1. César, la economía del lenguaje. Los nombres en física suelen tener un origen histórico (cuando se ignoraba qué es lo que se estaba llamando con ese nombre) y son mantenidos por razones históricos (cuando ya se sabe qué es lo que se está llamando con ese nombre, en lugar de introducir un nuevo nombre se mantiene el nombre ya existente). Hoy en día, ni la masa, ni la energía, ni la carga eléctrica, ni muchos otros conceptos son lo que fue llamada con dicho nombre la primera vez que se usó (de hecho, se han usado estos nombres para llamar varias cosas diferentes conforme el conocimiento ha ido avanzando).

  7. Hola Francis,

    ¿podrían existir distintos tipos de protones, de la misma manera que existen isotopos en los elementos de la tabla periódica, químicamente iguales pero de masa y vida distinta? O sea, protones que se comporten igual desde el punto de vista de nuestras medidas actuales pero que tienen una composición interna ligeramente distinta.

    Gracias

    1. Por supuesto, Giancardo, se llaman resonancias o estados excitados. Para el protón p(938.3) y el neutrón n(939.6), que desde el punto de vista QCD son equivalentes entre sí, llamándose nucleón N(939), se conocen muchos estados excitados N(1440), N(1520), N(1535), N(1650), N(1675), N(1680), N(1700), etc. Forman las llamadas trayectorias de Regge, de espín (en rigor momento angular) creciente, cuya explicación fue el origen de la teoría de cuerdas (que entonces se llamaba modelo de resonancias duales).

  8. Si un protón es en realidad como un mar de quarks y gluones, y los quarks UUD solo son «los de valencia», da la impresión de que hay física para rato más allá del modelo estándar. ¿Se ha llegado realmente a los constituyentes elementales de la materia? Otra cosa que no entiendo es cómo se puede saber más allá de los quarks de valencia si ni siquiera esos puede observarse, ¿no es cierto que se aceptaron simplemente porque simplificaban mucho el zoológico de partículas que parecía no tener final?

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