Un nuevo y único estudio de la estructura del espín del protón en el RHIC

Las medidas directas permiten un análisis detallado de cómo los quarks de diferentes sabores contribuyen al espín.

Los científicos esperan desentrañar el misterio del espín del protón en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC), un acelerador de partículas de 4 kilómetros de circunferencia en los EE.UU. El Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía (DOE), tiene una nueva herramienta a su disposición – la primera en explorar directamente cómo contribuyen los quarks de diferentes tipos, o “sabores”, al espín global del protón. La técnica, descrita en los artículos que acaban de publicar las colaboraciones STAR y PHENIX del RHIC en Physical Review Letters, se basa en la medida de unas partículas llamadas bosones W, los mediadores de la fuerza débil responsable de la desintegración de núcleos radiactivos.

Medida basada en bosones W


“Explorar el misterio del espín de los protones ha sido uno de los objetivos clave de la investigación científica en el RHIC”, dijo Steven Vigdor, Director Asociado de Laboratorio de Brookhaven para Física Nuclear y de Partículas. “Como muchos misterios científicos, éste resulta ser más complejo cuanto más aprendemos sobre el mismo. Las medidas del bosón W fueron posibles gracias a nuevas técnicas de detección en los experimentos STAR y PHENIX del RHIC y la ampliación del récord mundial de energías del RHIC para la aceleración de haces de protones con una preferencia distinta en la orientación del espín. Los resultados nos permiten resolver los detalles sutiles que antes eran inaccesibles, y deberían acercar el campo a una comprensión cuantitativa de la estructura y la dinámica del espín del protón”.

El espín es una propiedad cuántica que describe un momento angular intrínseco de una partícula. Al igual que la carga y masa, es parte de la identidad de una partícula, cuya magnitud es la misma para todas las partículas de un tipo determinado. Pero a diferencia de la carga y masa, el espín tiene una dirección que puede orientarse de forma diferente para las partículas individuales de una especie determinada. Las interacciones entre partículas dentro de los átomos, núcleos, y protones dependen fundamentalmente de respectivas orientaciones del espín, con influencia en una amplia gama de propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas, y otras propiedades de la materia. Sin embargo, a pesar de que el espín del protón se utiliza en aplicaciones cotidianas, como la imagen por resonancia magnética (IRM), exactamente cómo – y cuánto – las partículas individuales que componen los protones contribuyen al espín sigue siendo un misterio.

Los científicos saben que los quarks dentro de un protón tienen cada uno su espín intrínseco. Sin embargo, numerosos experimentos han confirmado que una preferencia direccional entre todos estos espines de quarks puede dar cuenta de sólo el 25 por ciento del total del espín del protón. El RHIC fue construido con la capacidad de colisionar protones polarizados – protones, cuyo espín podría alinearse de forma controlada – para que los científicos puedan estudiar otros factores que podrían explicar el “espín perdido”. Gran parte del equipo necesario para realizar esta capacidad única fue proporcionado por el Instituto RIKEN de Investigación Física y Química de Japón, cuyos investigadores forman una parte fundamental de las colaboraciones internacionales que llevan a cabo este trabajo.

Después de comenzar con las colisiones de protones polarizados en el RHIC a finales de 2001, el primer lugar en el que los científicos buscaron el espín que faltaba fue en los gluones, las partículas que mantienen unidos a los quarks de un protón, a través de la fuerza fuerte.

“El impacto hasta ahora ha sido que no hemos encontrado gluones que lleven gran parte del espín”, dijo la portavoz de PHENIX Barbara Jacak, físico de la Universidad de Stony Brook. Las medidas del detector STAR están de acuerdo. Después de varias ejecuciones con protones polarizados a distintas energías, los datos del RHIC sugieren cada vez con una mayor seguridad, que los gluones contribuyen mucho menos de lo que se especuló en el espín del protón, por lo que la fuente del espín sigue siendo un misterio.

Los científicos reconocen que no han sido capaces de observar todos los gluones, en particular aquellos que portan diminutas fracciones del momento global del protón. “Es como si estuviésemos buscando las llaves perdidas bajo una farola de foco estrecho, y nos gustaría una con una mayor iluminación”, dijo Jacak.

Pero a medida que continúan trabajando en esa parte del rompecabezas, también tienen una nueva manera de mirar al espín.

Gracias a las nuevas técnicas de detección y la capacidad de ejecutar colisiones de protones polarizados a muy alta energía – 500 GeV, o 500 mil millones de electrón-volts – los científicos del RHIC, tanto de PHENIX como de STAR son capaces de estudiar directamente, por primera vez, la contribución a la polarización de los quarks de diferentes sabores (conocido por los nombres de “up” y “down”) dentro de los protones.

“Todas las medidas anteriores que trataban de separar las contribuciones de los quarks al espín de acuerdo al sabor, se hacían indirectamente y se observaba sobre todo la contribución de los tres quarks principales, o de valencia, en el protón”, comenta Bernd Surrow, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y vice-portavoz de la colaboración STAR. “Este nuevo método de medición de los bosones W nos da acceso directo a los quarks conocidos como “quarks del mar”, que entran y salen de la existencia cuando los gluones se dividen y reforman dentro de los protones. “

Los quarks del mar siempre se producen en pares de quark/antiquark y tienen tiempos de vida extremadamente cortos. Pero en las altísimas energías logradas por los haces de protones que colisionan en el RHIC, estos fugaces los quarks y antiquarks pueden colisionar, o interactuar, para producir bosones W relativamente pesados. Hasta ahora, los experimentos del RHIC han detectado Ws mediante la búsqueda de electrones y positrones (electrones con carga positiva) que se forman conforme decaen los Ws. La carga de los productos de desintegración – ya sean electrones o positrones – refleja directamente la carga de los Ws, que a su vez dice qué sabor de antiquarks estuvieron involucrados en la colisión – si el anti-up o anti-down.

Comparando el número de Ws producidos cuando grandes cantidades de protones que chocan en el RHIC están polarizados en la dirección del movimiento del haz, con el número que se produce cuando los protones se polarizan en la dirección opuesta, los científicos pueden medir directamente el grado en que el espín del antiquark apunta a una dirección preferida con respecto al espín global del protón. Esta robusta técnica de medida se basa en una propiedad fundamental, y muy bien comprendida, de la interacción débil por la cual se producen los Ws, a saber, la violación extrema de la simetría especular.

“La observación de este efecto extremo, por primera vez, en las interacciones débiles en colisiones protón-protón polarizados del RHIC es en sí misma un hito importante”, dijo Hideto En’yo, director del Centro RIKEN Nishina para Ciencia Basada en el Acelerador, que estableció el Centro de Investigación RIKEN-BNL (RBRC) para nutrir una nueva generación de físicos interesados en el estudio de la fuerza nuclear fuerte y la física del espín en el RHIC. “Es gratificante ver que nuestra gran inversión en equipos de polarización ha dado sus frutos con unos efectos de espín tan grandes y claramente interpretables”.

“Se podría pensar que se obtendría el mismo número de quarks anti-up que anti-down dentro de un protón. Pero los experimentos anteriores han demostrado que son muy diferentes”, señala Surrow. “Eso significa que hay mucha incertidumbre sobre el mecanismo subyacente de cómo estos quarks del mar surgen y desaparecen de la existencia. También indica que los diferentes sabores pueden comportarse de forma diferente en cuanto a la forma en que contribuyen al espín”.

Jacak añade que: “Comprender estas diferencias no resolverá por sí mismo el misterio del espín, pero nos dará una idea más clara de una pieza del rompecabezas, la contribución de los quarks del mar”.

La investigación del RHIC está financiada principalmente por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE.UU., y por diversas instituciones de colaboración nacionales e internacionales.


Fecha Original: 15 de febrero de 2011
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Comments (2)

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