En 1956, el premio Nobel y físico estadounidense Robert Hofstadter y su equipo lanzaron una pequeña botella de hidrógeno en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford. Se descubrieron electrones de alta energía, lo que marcó el comienzo de una nueva era de la física.
Antes de esto, la gente siempre había creído que los protones y neutrones que forman el núcleo eran las partículas más básicas de la naturaleza. Se consideran "puntos" en el espacio, carentes de dimensiones físicas. Ahora de repente quedó claro que estas partículas no eran en absoluto elementales, sino que también tenían tamaños y estructuras internas complejas.
Lo que Hofstadter y su equipo vieron fueron pequeñas desviaciones en cómo los electrones se "dispersaban" o rebotaban cuando chocaban con el hidrógeno. Esto demostró que había más en el núcleo que los protones y neutrones puntuales que pensaban.
Los experimentos posteriores con aceleradores (máquinas que impulsan partículas a energías extremadamente altas) realizados en todo el mundo anunciaron un cambio de paradigma en nuestra comprensión de la materia.
Sin embargo, todavía hay mucho que no sabemos sobre el núcleo atómico, incluida la "fuerza fuerte", una de las cuatro fuerzas naturales básicas que mantiene unido el núcleo atómico.
Ahora, con la ayuda de 1.300 científicos de todo el mundo, el Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island construirá un nuevo acelerador dentro de una década, el Colisionador de Iones-Electrones, que podría ayudar a mejorar nuestra comprensión de la energía atómica. núcleos a un nuevo nivel.
Arriba: Cómo las colisiones de electrones con átomos cargados revelan su estructura nuclear.
Fuerzas poderosas y extrañas
Después de los descubrimientos de la década de 1950, rápidamente quedó claro que las partículas de quarks y gluones eran los componentes básicos de la materia. Son los componentes básicos de los hadrones, el nombre colectivo de los protones y otras partículas.
La gente a veces imagina que estas partículas son como ladrillos de Lego, formados por quarks con formas que forman protones y neutrones que luego se acoplan para formar un núcleo, y el núcleo atrae electrones para construir un átomo. Pero los quarks y los gluones no son en modo alguno bloques de construcción estáticos.
Una teoría llamada cromodinámica cuántica describe cómo funciona la fuerza fuerte entre quarks, que están mediados por gluones, los portadores de la fuerza. Sin embargo, no puede ayudarnos a calcular analíticamente las propiedades de los protones. Esto no es culpa de nuestros teóricos ni de nuestros ordenadores: las ecuaciones en sí mismas son irresolubles.
Esta es la razón por la que el estudio experimental del protón y otros hadrones es tan crítico: para comprender el protón y las fuerzas que lo unen, debe estudiarse desde todos los ángulos. En este sentido, los aceleradores son nuestra herramienta más poderosa.
Sin embargo, cuando miras los protones en un colisionador (un acelerador que utiliza dos haces), lo que vemos depende de qué tan profundo miramos y a quién miramos: a veces parece que tres están formados por quarks, que a veces se manifiestan como un mar de gluones, o un vasto mar de pares de quarks y sus 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 esta escala más pequeña ha logrado enormes avances en los últimos 60 años, todavía hay muchos misterios que las herramientas actuales no pueden resolver por completo. ¿Cuál es la naturaleza del confinamiento de los quarks dentro de los hadrones? ¿Cómo surgió la masa del protón a partir de los quarks, que son 1.000 veces más ligeros y casi sin masa?
Para responder a estas preguntas, necesitamos un "microscopio" que pueda visualizar la estructura de los protones y los núcleos en detalle con el rango de aumento más amplio y construir una representación 3D de su estructura y dinámica. Eso es exactamente lo que hará el nuevo colisionador.
Nuevo dispositivo experimental
El Electron Ion Collider (EIC) utilizará como sonda un haz de electrones muy potente, que tendrá el potencial de atravesar protones o núcleos atómicos, y observar su estructura interna.
Se observará cómo los electrones se dispersan al chocar un haz de electrones con un haz de protones o iones (átomos cargados). El haz de iones es el primero de su tipo en el mundo.
Se harán visibles efectos casi imperceptibles, como procesos de dispersión muy raros que sólo se observan una vez entre mil millones de colisiones.
Al estudiar estos procesos, los científicos podrán revelar la estructura de los protones y neutrones, cómo cambian cuando están unidos por la fuerza fuerte y cómo se crean nuevos hadrones. También podríamos descubrir qué tipo de materia está formada por gluones puros, algo que nunca antes habíamos visto.
Arriba: Plan experimental.
Los colisionadores se pueden ajustar a una amplia gama de energías: al igual que girar la lupa de un microscopio, cuanto mayor es la energía, más profundo se puede ver y resolver el interior de un protón o núcleo. Las características son más detalladas. .
Como parte del equipo del EIC, una nueva colaboración de científicos de todo el mundo también está diseñando detectores que se colocarán en dos puntos de impacto diferentes del colisionador.
Algunos aspectos de este trabajo están dirigidos por un equipo del Reino Unido, que acaba de recibir una subvención para diseñar los tres componentes clave del detector y desarrollar la tecnología necesaria para lograrlos: sensores de precisión que rastrean partículas cargadas, sensores que detectan electrones dispersos cerca de las líneas del haz y detectores que miden la polarización (dirección de giro) de partículas dispersas en colisiones.
Aunque puede llevar otros 10 años diseñar y construir completamente el colisionador, definitivamente vale la pena.
Comprender la estructura del protón y las fuerzas fundamentales que producen más del 99% de la masa visible en el universo a través de los protones es uno de los mayores retos de la física actual.
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