Los protones forman parte de prácticamente toda la materia que nos rodea. Están en los núcleos de los átomos y durante décadas los físicos han desarrollado modelos cada vez más precisos para describir qué ocurre en su interior. Sin embargo, una nueva investigación acaba de mostrar que incluso una partícula tan conocida puede esconder comportamientos que nunca habían sido observados experimentalmente.
Un equipo formado por Alexey Vladimirov, de la Universidad Complutense de Madrid; Guillermo Portela, de DESY Hamburgo; y Simone Rodini, de la Universidad de Pavía, encontró evidencias de un tipo de interferencia cuántica entre los quarks y los gluones que componen el protón.
El fenómeno había sido anticipado por la teoría, pero hasta ahora no había podido identificarse claramente utilizando datos experimentales.
Un protón es mucho más que tres quarks
La explicación más sencilla suele describir al protón como una partícula formada por tres quarks principales unidos mediante gluones, las partículas responsables de transmitir la interacción nuclear fuerte.
La realidad cuántica es considerablemente más complicada. En el interior del protón aparecen continuamente quarks, antiquarks y gluones que interactúan dentro de un sistema extremadamente dinámico.
Los modelos utilizados durante años podían tratar parte de estos componentes mediante distribuciones que indicaban qué fracción del momento total correspondía a cada partícula. Esta aproximación permitió realizar predicciones extremadamente útiles, pero no describía completamente las correlaciones cuánticas existentes entre ellas.
Quarks y gluones no se comportan simplemente como pequeñas piezas independientes dentro de una esfera. Pueden encontrarse en superposición y formar parte de estados cuánticos relacionados entre sí.
Los aceleradores encontraron una señal que hasta ahora estaba escondida
El nuevo trabajo, publicado en Physical Review Letters, analizó información obtenida mediante experimentos con aceleradores de partículas.
A partir de esos datos, los investigadores consiguieron identificar por primera vez indicios experimentales de distribuciones asociadas con la interferencia entre diferentes estados cuánticos de quarks y gluones.
Estas funciones presentan propiedades diferentes de las distribuciones utilizadas tradicionalmente para describir la estructura del protón.
El resultado sugiere que determinadas representaciones anteriores ofrecían una visión incompleta de lo que realmente ocurre dentro de la partícula. En lugar de considerar únicamente cómo se reparte el momento entre sus componentes, ahora también resulta necesario estudiar cómo esos estados pueden interferir cuánticamente.
El hallazgo también afecta al misterio del espín del protón
Comprender mejor su estructura interna podría ayudar además con uno de los problemas históricos de la física de partículas: determinar de dónde procede exactamente el espín del protón.
Durante mucho tiempo se esperaba que los espines de sus quarks explicaran buena parte del valor total. Sin embargo, los experimentos demostraron que su contribución era mucho menor de lo previsto.
Según los datos citados por los investigadores, los quarks explicarían aproximadamente entre el 4% y el 24% del espín total, mientras que el resto depende también del espín de los gluones y del movimiento orbital de quarks y gluones dentro del protón.
La aparición de nuevas funciones relacionadas con interferencias cuánticas añade otra pieza a este complicado rompecabezas.
Todavía falta saber qué modelo describe mejor lo que ocurre dentro
El descubrimiento no significa que la estructura del protón haya quedado completamente resuelta. Los propios investigadores reconocen que los datos actuales todavía no permiten determinar con precisión qué modelo teórico explica mejor la distribución de estas interferencias.
Lo importante es que la señal ya no pertenece únicamente al terreno de las predicciones matemáticas: aparece también en datos experimentales obtenidos en aceleradores.
Después de más de un siglo estudiando la materia a escala subatómica, el protón vuelve así a demostrar que incluso algunas de las partículas aparentemente más familiares pueden esconder una naturaleza cuántica mucho más profunda de lo que imaginábamos.
