Un experimento épico de colisionador de partículas en los EE. UU. Podría revelar cuánta materia se mantiene unida

Cuando el físico estadounidense ganó el premio Nobel Robert Hofstadter Su equipo disparó electrones de alta energía en un pequeño vial de hidrógeno en Centro acelerador lineal de Stanford En 1956, abrieron la puerta a una nueva era de la física.

Hasta entonces, se pensaba que los protones y neutrones, que forman el núcleo de un átomo, eran las partículas fundamentales de la naturaleza.

Fueron considerados “puntos” en el espacio, carentes de dimensiones físicas. De repente, quedó claro que estas partículas no eran fundamentales en absoluto y que también tenían un tamaño y una estructura internos complejos.

Lo que Hofstadter y su equipo vieron fue una pequeña aberración en la forma en que los electrones se dispersaban o rebotaban cuando chocaban con el hidrógeno. Esto sugiere que hay más núcleos que los protones y neutrones puntuales que imaginaron.

Los siguientes experimentos del mundo con aceleradores, máquinas que impulsan partículas a energías muy altas, anunciaron un cambio de paradigma en nuestra comprensión de la materia.

Sin embargo, todavía no sabemos mucho sobre el núcleo atómico, además de la “fuerza fuerte”, que es una de las cuatro fuerzas basicas Naturaleza, que la hace cohesionada.

Ahora es un nuevo acelerador, el Colisionador de iones de electrones, que se construirá durante la década en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island, Estados Unidos, con la ayuda de 1300 mundo Desde todo el mundo, puede ayudar a llevar nuestra comprensión del kernel a un nuevo nivel.

(Laboratorio Nacional Brookhaven / Flickr / CC BY-NC)

Arriba: La forma en que un electrón choca con un átomo cargado puede revelar su estructura nuclear.

Fuerza fuerte pero extraña

Tras los descubrimientos de los años cincuenta del siglo pasado, Pronto se hizo claro Las partículas llamadas quarks y gluones son bloques de construcción básicos del artículo. Son componentes de los hadrones, que es el nombre colectivo de los protones y otras partículas.

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La gente a veces imagina este tipo de partículas encajando como LEGO, con quarks en una determinada configuración formando protones, luego protones y neutrones emparejándose para formar un núcleo, y el núcleo atrayendo electrones para construir un átomo. Pero los quarks y gluones son simplemente bloques de construcción constantes.

teoría llamada Cromodinámica cuántica Describe cómo actúa la fuerza fuerte entre quarks, mediada por gluones, que son portadores de fuerza. Sin embargo, no puede ayudarnos a calcular analíticamente las propiedades del protón. Esto no es culpa de nuestros teóricos o de nuestras computadoras: las ecuaciones en sí mismas son simplemente irresolubles.

Por eso es tan importante el estudio experimental del protón y otros hadrones: para comprender el protón y la fuerza que lo une, hay que estudiarlo desde todos los ángulos. Para ello, el acelerador es la herramienta más poderosa que tenemos.

Sin embargo, cuando miras el protón con un colisionador (un tipo de acelerador que usa dos haces), lo que vemos depende de qué tan profundo es y de lo que estamos viendo: a veces aparece como quarks de tres componentes, otras veces como un océano de gluones, o un mar abarrotado de pares de quarks y sus partículas, antipartículas (las antipartículas son casi idénticas a las partículas, pero tienen cargas opuestas u otras propiedades cuánticas).

Entonces, si bien nuestra comprensión de la materia a escalas tan pequeñas ha avanzado mucho en los últimos 60 años, todavía hay muchos misterios que las herramientas actuales no pueden abordar por completo. ¿Cuál es la naturaleza del confinamiento de los quarks dentro de un hadrón? ¿Cómo surge la masa de un protón de quarks casi sin masa, mil veces más livianos?

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Para responder a estas preguntas, necesitamos un microscopio que pueda obtener imágenes de la estructura del protón y el núcleo a través de la gama más amplia de aumentos con gran detalle, y generar imágenes en 3D de su estructura y dinámica. Esto es exactamente lo que hará el nuevo colisionador.

Configuración experimental

El Electron Ion Collider (EIC) utilizará un haz de electrones muy intenso como sonda, donde será posible abrir un protón o núcleo y observar la estructura interna.

Lo hará golpeando un haz de electrones con un haz de protones o iones (átomos cargados) y observando cómo se dispersan los electrones. El haz de iones es el primero de su tipo en el mundo.

Los efectos que son apenas perceptibles, como los procesos de dispersión que son tan raros que solo se pueden notar una vez en mil millones de colisiones, se harán visibles.

Al estudiar estos procesos, otros científicos y yo podremos revelar la estructura de los protones y neutrones, cómo se modifican cuando se asocian con la fuerza fuerte y cómo se crean nuevos hadrones.

También podemos revelar de qué tipo de sustancia están hechos los gluones puros, algo que no se ha visto antes.

Diagrama de experimento.  (Laboratorio Nacional Brookhaven / Flickr / CC BY-NC)Diagrama de experimento. (Laboratorio Nacional Brookhaven / Flickr / CC BY-NC)

El colisionador podrá sintonizarse en una amplia gama de energías: esto es como girar un disco de aumento en un microscopio, cuanto mayor es la energía, más profundo aparece dentro de un protón o núcleo, y más finas son las características.

Las colaboraciones recientemente formadas de científicos de todo el mundo, que forman parte del equipo de EIC, también están diseñando los detectores, que se colocarán en dos puntos de colisión diferentes en el colisionador.

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Los aspectos de este esfuerzo están liderados por los equipos del Reino Unido, que acaban de ser premiados Conceder Liderar el diseño de tres componentes principales para los detectores y el desarrollo de tecnologías para lograrlos: sensores para rastrear con precisión partículas cargadas, sensores para detectar electrones dispersos demasiado cerca en la línea del haz y detectores para medir la polarización (dirección de giro) de las partículas. dispersos en colisiones.

Si bien pueden pasar otros 10 años antes de que el colisionador esté completamente diseñado y construido, probablemente valdrá la pena el esfuerzo.

Comprender la estructura del protón, y a través de él la fuerza fundamental que da lugar a más del 99% de la masa visible en el universo, es uno de los mayores desafíos de la física actual. Conversacion

Calentador Daria |, Cátedra Blaise Pascal, CEA Saclay, Francia / Profesor Titular, Facultad de Física y Astronomía, Universidad de Glasgow.

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