La gravedad no es lo que pensamos: el descubrimiento científico que cambia más de 350 años de historia
Los investigadores consiguieron obtener una imagen única de cómo se distribuye la fuerza en el protón, lo que proporciona nuevos entendimientos.
En el ámbito de la física nuclear, un reciente estudio realizado por científicos en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, respaldada por el Departamento de Energía de EE. UU., reveló secretos ocultos en el nivel subatómico.
A través de esta investigación que conecta las teorías de la gravedad con las complejas interacciones de partículas diminutas, los científicos lograron capturar una instantánea inédita de la distribución de la fuerza dentro del protón, brindando nuevos conocimientos en esta escala minúscula.
Este hallazgo, publicado en Reviews of Modern Physics y difundido por Science Daily, reveló detalles cruciales sobre la estructura y las propiedades mecánicas del protón.
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La gravedad no es lo que pensamos: el descubrimiento científico que cambia más de 350 años de historia.
Información sobre el estudio científico
La medición precisa realizada por el equipo científico liderado por Volker Burkert reveló que el esfuerzo cortante dentro del protón requiere más de cuatro toneladas de fuerza para separar un quark de esta partícula fundamental. La naturaleza incolora del protón, debido a la propiedad 'color' de los quarks, impide la separación individual.
Los científicos, tras este avance, tienen como siguiente paso extraer información adicional de los datos disponibles para determinar el tamaño mecánico exacto del protón. Además, planean aprovechar experimentos recientes con mayores estadísticas y energía para seguir investigando la DVCS en el protón.
"En su punto máximo, esto implica más de una fuerza de cuatro toneladas que se debe aplicar a un quark para sacarlo del protón", explicó Burkert, quien afirmó que "la naturaleza, por supuesto, no permite separar un solo quark del protón debido a una propiedad de los quarks llamada 'color'.
En ese sentido, aclaró que "hay tres colores que combinan quarks en el protón para que parezca incoloro desde el exterior, un requisito para su existencia en el espacio".
"Intentar extraer un quark coloreado del protón producirá un par quark/antiquark incoloro, un mesón, usando la energía que se aplica para intentar separar el quark, dejando atrás un protón (o neutrón) incoloro. Entonces, las 4 toneladas ilustran la intensidad de la fuerza que es intrínseca en el protón", aseguró.
El resultado es solo la segunda de las propiedades mecánicas del protón que se miden. Las propiedades mecánicas del protón incluyen su presión interna (medida en 2018), su distribución de masa (tamaño físico), su momento angular y su esfuerzo cortante.
Dispersión Compton virtual: avances en la comprensión de la fuerza del protón y su relación con la gravedad
La dispersión Compton profundamente virtual (DVCS) se destacó como un enfoque clave para abordar las enormes diferencias de órdenes de magnitud entre la gravedad y la fuerza electromagnética.
Este avance no solo proporciona una visión sin precedentes de la fuerza intrínseca en el protón, sino que también abre nuevas vías teóricas para investigar sus propiedades mecánicas.
"Desarrollamos el programa para estudiar a fondo la dispersión Compton virtual. Aquí, un electrón intercambia un fotón virtual con el protón. En el estado final, el protón permanece igual pero retrocede y se produce un fotón real de muy alta energía, además del electrón disperso", comentó Latifa Elouadhriri, científica del Jefferson Lab y coautora del estudio.
Además, explicó: "Cuando tomamos los datos, no sabíamos que, más allá de las imágenes tridimensionales que buscábamos, también recopilábamos los datos necesarios para acceder a las propiedades mecánicas del protón".
Por lo tanto, este proceso específico de la dispersión Compton profundamente virtual (DVCS) podría relacionarse con la forma en que la gravedad interactúa con la materia.
La versión general de esta conexión fue expuesta en el libro de texto de 1973 sobre la teoría general de la relatividad de Einstein titulado 'Gravitación' de Charles W. Misner, Kip S. Thorne y John Archibald Wheeler.
"Cualquier campo de espín-2 sin masa generaría una fuerza indistinguible de la gravitación, porque un campo de espín-2 sin masa se acoplaría al tensor de tensión-energía de la misma manera que lo hacen las interacciones gravitacionales", afirmaba la teoría.
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La extracción de datos para determinar el tamaño mecánico del protón
Los investigadores afirmaron que su próximo paso es trabajar en la extracción de la información necesaria de los datos DVCS existentes para permitir la primera determinación del tamaño mecánico del protón.
Además, aprovecharán experimentos más recientes, con mayores estadísticas y energía, que continúan la investigación DVCS en el protón.
Con el Plan de Ciencia Nuclear de Largo Alcance 2023 en el horizonte, los científicos están emocionados por los futuros desarrollos y descubrimientos significativos que se aproximan en este campo.
"Y en mi opinión, esto es solo el inicio de algo mucho más grande que se avecina. Ya ha transformado nuestra forma de pensar sobre la estructura del protón. Ahora podemos expresar la estructura de las partículas subnucleares en términos de fuerzas, presión y tamaños físicos con los que también pueden identificarse los no físicos", celebró Burkert.
Este hallazgo fue posible gracias a múltiples investigaciones, iniciadas en la década de 1960. En esos años se teorizó la posibilidad de revelar las propiedades mecánicas del protón mediante la interacción gravitacional. Desde entonces, esta área de estudio ha evolucionado a lo largo de las décadas.
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Simulaciones avanzadas para entender quarks y gluones en protones
Además, los científicos están explorando cómo las interacciones entre quarks pueden influir en la formación de otras partículas subatómicas, lo que podría tener implicaciones en la comprensión de la materia oscura. Este enfoque podría abrir nuevas líneas de investigación sobre cómo la gravedad afecta a las partículas en escalas aún más pequeñas.
Por otro lado, el equipo de investigación también está considerando la posibilidad de aplicar sus hallazgos a la física de partículas en colisionadores, lo que podría llevar a descubrimientos sobre la naturaleza de la fuerza nuclear fuerte. Esto podría revolucionar no solo la física nuclear, sino también la forma en que entendemos las interacciones fundamentales en el universo.
