Desvelando el núcleo atómico: un modelo que revela la dinámica de quarks y gluones.
Por primera vez, revelan la estructura del núcleo atómico basada en quarks y gluones (Eugenio M Fernandez). Fuente: iStock / Sefa kart
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
16.10.2024 | 11:50
El núcleo atómico, compuesto de protones y neutrones, alberga una estructura aún más compleja a nivel subatómico: los quarks y gluones. Estas partículas, fundamentales en el modelo estándar de partículas, interactúan en el núcleo de maneras que hasta ahora no habían sido completamente comprendidas. A pesar de décadas de estudio, la complejidad de estas interacciones ha planteado grandes incógnitas para los científicos que buscan entender cómo estas partículas se organizan y modifican sus comportamientos en el contexto nuclear.
Un reciente estudio publicado en Physical Review Letters, ha logrado un avance significativo en esta área. Mediante el uso de la cronodinámica cuántica(QCD) que incorpora pares de nucleones correlacionados a corto alcance (SRC, por sus siglas en inglés), los autores han logrado detallar cómo los quarks y gluones se distribuyen y modifican dentro del núcleo atómico en diferentes estados energéticos. Este enfoque innovador permite dividir el contenido nuclear en contribuciones individuales y pares correlacionados, lo que abre la puerta a un entendimiento más preciso de los fenómenos de corto y largo alcance en la estructura del núcleo
El modelo QCD y la estructura subatómica
La cromodinámica cuántica (QCD) describe las interacciones entre quarks mediante el intercambio de partículas llamadas gluones, que son los mediadores de la fuerza fuerte. Este modelo ha permitido a los científicos mapear cómo los quarks, las unidades más pequeñas de materia conocidas, forman protones y neutrones en combinaciones específicas. En el núcleo, estas partículas no están estáticas, sino que interactúan continuamente en patrones complejos que generan fenómenos como la masa y el espín de los nucleones.
Sin embargo, al estudiar los núcleos de átomos más grandes, los datos experimentales sugieren que la interacción entre quarks y gluones varía de acuerdo con la densidad y la estructura de los nucleones. Así, las distribuciones de quarks y gluones dentro del núcleo no solo dependen de sus propiedades individuales, sino también de la interacción con otros nucleones cercanos. Este nuevo modelo de QCD incorpora tanto los nucleones individuales como los pares correlacionados, proporcionando así una herramienta para estudiar los diferentes estados energéticos y dinámicas que emergen en el núcleo.
El núcleo atómico es mucho más que un enjambre de protones y neutrones. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Pares de nucleones correlacionados y su papel en la estructura nuclear
El descubrimiento de pares de nucleones correlacionados a corto alcance (SRC) ha sido crucial para entender la estructura nuclear a nivel de quarks y gluones. Los SRC se forman cuando dos nucleones, generalmente un protón y un neutrón, interactúan a distancias muy pequeñas y con una fuerza considerablemente mayor. Estos pares representan un pequeño porcentaje de los nucleones totales, pero su impacto en la estructura general del núcleo es significativo. Como señala el estudio, los SRC aportan hasta el 30% de la masa del nucleón, mucho más que los estados de campo medio.
Esta incorporación de SRC en el modelo de QCD ha permitido dividir la estructura del núcleo en dos componentes: el campo medio y las contribuciones de los SRC. Esta división es esencial para interpretar las distribuciones de quarks y gluones, que varían dependiendo de la cercanía y el tipo de interacción. Gracias a este modelo, los científicos pueden ahora analizar cómo los SRC modifican las distribuciones de los quarks y los gluones en diferentes núcleos, estableciendo una relación entre los comportamientos nucleares de baja energía y las interacciones a nivel subatómico.
Los nucleones (protones y neutrones) en realidad no son partículas fundamentales, está constituidos por tres quark. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Análisis experimental y validación del modelo
Para probar su modelo, Denniston y su equipo analizaron datos de colisiones de leptones y nucleones a altas energías, usando técnicas como la dispersión inelástica profunda (DIS) y la producción de bosones W y Z en experimentos de colisiones. Estas observaciones proporcionaron datos precisos sobre las funciones de distribución partónica nuclear (nPDF), que reflejan cómo se distribuyen los quarks y gluones en el núcleo a diferentes niveles de energía y momento.
Estas observaciones proporcionaron información detallada sobre las funciones de distribución partónica nuclear ("nuclear parton distribution functions", nPDF), las cuales describen cómo se distribuyen los quarks y gluones en el núcleo atómico en función de su momento y energía. Estas funciones no son nuevas: anteriormente se utilizaban para representar la estructura interna de protones y neutrones individuales en términos de la cantidad de momento que llevan sus quarks y gluones.
Sin embargo, la novedad del estudio radica en que incorpora las nPDF para un análisis en el contexto nuclear completo, considerando no solo las partículas individuales, sino también la influencia de pares de nucleones correlacionados. Esto permite una comprensión más profunda de cómo estas partículas elementales interactúan y se distribuyen específicamente dentro del núcleo, afectadas por efectos de correlación y factores como el movimiento de Fermi y el "shadowing" nuclear. Este último es un fenómeno en el que, a altas energías, la densidad de quarks y gluones parece reducirse en las primeras capas del núcleo atómico). Este efecto ocurre porque las partículas entrantes interactúan con varios nucleones en el núcleo, lo cual “sombrea” o disminuye la probabilidad de encontrar quarks en el resto del núcleo.
Los resultados sugieren que el modelo basado en SRC proporciona un ajuste superior a los modelos tradicionales, aunque no está falto de posibles críticas y controversias. En el análisis estadístico, el ajuste del modelo SRC redujo los errores de predicción en más de un 10%, lo que indica que la inclusión de los SRC no solo mejora la precisión del modelo, sino que también añade coherencia al entendimiento general de la estructura nuclear. Según los investigadores, este modelo permite un enfoque sin dependencia de un modelo específico que puede aplicarse de manera generalizada a diferentes elementos nucleares: "Intentamos adoptar un enfoque independiente de modelos específicos, enfocándonos en las características generales comunes a los modelos modernos de estructura nuclear de alta resolución, minimizando la dependencia de detalles de un modelo particular".
El estudio de las colisiones de partículas es la piedra angular de la investigación moderna. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Llegado a este punto, es importante mencionar que la investigación combina tanto aspectos teóricos como experimentales.
Teórico: Se utiliza un modelo de estructura nuclear que incorpora la dinámica de los nucleones y sus correlaciones.
Experimental: El análisis se basa en datos de alta energía obtenidos de experimentos de dispersión inelástica profunda de leptones, producción de Drell-Yan y producción de bosones W y Z.
Implicaciones para futuras investigaciones y aplicaciones
Este avance tiene importantes implicaciones tanto para la física nuclear como para la física de partículas. Aunque habrá que esperar las reacciones en la comunidad científica, sobre todo para ver si es realmente significativo o si es irrelevante. La capacidad de separar y entender las contribuciones del campo medio y los SRC en el núcleo atómico permite realizar comparaciones más precisas en experimentos de colisión de alta energía, como los realizados en el Colisionador de Hadrones del CERN y en el Jefferson Lab. En el futuro, los investigadores esperan aplicar este modelo en el próximo Colisionador de Iones-Electrones, donde se podrán medir directamente las interacciones de los SRC en colisiones controladas.
Aunque el paper no aborda directamente la generación de energía nuclear, hay algunas conexiones y posibles implicaciones que podrían relacionar la investigación con la generación de energía nuclear. Nos aventuramos:
Comprensión de la estructura nuclear: La investigación proporciona una comprensión más profunda de la estructura interna de los núcleos atómicos, específicamente cómo los quarks y gluones se distribuyen dentro de los nucleones y cómo las correlaciones entre nucleones afectan estas distribuciones.
Interacciones fuertes: La investigación se centra en las interacciones fuertes que gobiernan la dinámica de los nucleones en un núcleo. Un mejor entendimiento de estas interacciones podría tener implicaciones para optimizar procesos nucleares, ya sea en reactores nucleares (fisión) o en experimentos de fusión nuclear, donde las interacciones entre nucleones son cruciales.
Desarrollo de nuevas tecnologías (muy remoto): La investigación en física nuclear y de partículas puede llevar al desarrollo de nuevas tecnologías y métodos que podrían ser aplicables en el campo de la energía nuclear.
Fusión nuclear (muy remoto): El paper no trata directamente sobre la fusión nuclear, pero el conocimiento sobre la dinámica de los nucleones y las interacciones a nivel de quarks y gluones podría ser relevante para la investigación en fusión nuclear, donde se busca entender cómo los núcleos se combinan y liberan energía.
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Referencias
Denniston, A. W., Ježo, T., Kusina, A., Derakhshanian, N., Duwentäster, P., Hen, O., Keppel, C., Klasen, M., Kovarik, K., Morfín, J. G., Muzakka, K. F., Olness, F. I., Piasetzky, E., Risse, P., Ruiz, R., Schienbein, I., & Yu, J. Y. (2024). Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs. Physical Review Letters, 133(15), 152502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.152502
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