Por primera vez, revelan la estructura del núcleo atómico basada en quarks y gluones

Autor: Cyp Noticias


La complejidad del núcleo atómico y los avances en su estudio

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 avance significativo en el estudio del núcleo atómico

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), los autores han detallado 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, abriendo 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.

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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.

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. 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.

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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 (nPDF), las cuales describen cómo se distribuyen los quarks y gluones en el núcleo atómico en función de su momento y energía. 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.

Implicaciones para futuras investigaciones y aplicaciones

Este avance tiene importantes implicaciones tanto para la física nuclear como para la física de partículas. 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.

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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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