¿Qué es un protón y qué hay dentro de él?

Fig. 1: un átomo de hidrógeno. No a escala.

Usted sabe que el Gran Colisionador de Hadrones se ocupa principalmente de colisionar protones entre sí. Pero, ¿qué es un protón?

En primer lugar, un desastre terrible y completo. Tan feo y caótico como un simple y elegante átomo de hidrógeno.

Pero entonces, ¿qué es un átomo de hidrógeno?

Este es el ejemplo más simple de lo que los físicos llaman un "estado vinculado". "Condición", en esencia, significa cierta cosa que ha existido durante bastante tiempo, y "conectado" significa que sus componentes están conectados entre sí, como si los cónyuges estuvieran casados. De hecho, un ejemplo de una pareja casada, en la que un cónyuge es mucho más pesado que el otro, encaja muy bien aquí. Un protón se sienta en el centro, apenas moviéndose, y un electrón se mueve a lo largo de los bordes del objeto, se mueve más rápido que tú y yo, pero mucho más lento que la velocidad de la luz, el límite de velocidad universal. Imagen pacífica del idilio matrimonial.

O parece así hasta que miramos el protón mismo. Los interiores del protón en sí recuerdan más a una comuna donde muchos adultos y niños solteros están densamente ubicados: puro caos. Este también es un estado unido, pero no une algo simple, como un protón con un electrón, como en hidrógeno, o al menos unas pocas docenas de electrones con un núcleo atómico, como en átomos más complejos como el oro, pero una miríada de (es decir, hay demasiados y cambian demasiado rápido para poder contar prácticamente) partículas ligeras llamadas quarks, antiquarks y gluones. Es imposible describir simplemente la estructura de un protón, dibujar imágenes simples: está extremadamente desorganizado. Todos los quarks, gluones, antiquarks se precipitan dentro con la mayor velocidad posible, casi a la velocidad de la luz.


Fig. 2: Imagen de un protón. Imagine que todos los quarks (superiores, inferiores, extraños - u, d, s), los antiquarks (u, d, s con un guión) y los gluones (g) se mueven de un lado a otro casi a la velocidad de la luz, chocan entre sí. y desaparecer

Se podía escuchar que el protón consta de tres quarks. Pero esto es una mentira, para bien, pero sigue siendo bastante grande. De hecho, hay innumerables gluones, antiquarks y quarks en un protón. La abreviatura estándar "protón consiste en dos quarks superiores y un quark inferior" simplemente significa que el protón tiene dos quarks superiores más que los antiquarks superiores y un quark inferior más que los antiquarks inferiores. Para que esta reducción sea cierta, es necesario agregarle "e innumerables cantidades de gluones y pares quark-antiquark". Sin esta frase, la idea de un protón se simplificará tanto que será completamente imposible comprender el trabajo del LHC.


Fig. 3: Una pequeña mentira en beneficio de la imagen estereotípica de Wikipedia

En general, los átomos en comparación con los protones son similares a un pas de deux en un exquisito ballet en comparación con una discoteca llena de adolescentes borrachos saltando y saludando a un DJ.

Por eso, si usted es un teórico que intenta comprender que verá el LHC en colisiones de protones, será difícil para usted. Es muy difícil predecir los resultados de colisiones de objetos que no pueden describirse de una manera simple. Pero, afortunadamente, desde la década de 1970, basándose en las ideas de Bjorken de los años 60, los físicos teóricos han encontrado una tecnología relativamente simple y funcional. Pero aún funciona hasta ciertos límites, con una precisión de aproximadamente el 10%. Por esta y otras razones, la confiabilidad de nuestros cálculos para el LHC siempre es limitada.

Otro detalle sobre el protón: es pequeño. Realmente pequeño Si el átomo de hidrógeno está inflado al tamaño de su habitación, el protón tendrá el tamaño de una partícula de polvo tan pequeña que será muy difícil notarlo. Precisamente porque el protón es tan pequeño, podemos ignorar el caos creado dentro de él, describiendo el átomo de hidrógeno como simple. Más precisamente, el tamaño de un protón es 100,000 veces más pequeño que el tamaño de un átomo de hidrógeno.

A modo de comparación, el tamaño del Sol es solo 3000 veces menor que el tamaño del sistema solar (si cuenta en la órbita de Neptuno). Exactamente así: ¡en un átomo está más vacío que en el sistema solar! Recuerda esto cuando mires al cielo por la noche.

Pero puedes preguntar: “¡Espera un segundo! ¿Estás afirmando que el Gran Colisionador de Hadrones choca de alguna manera con protones 100.000 veces más pequeños que un átomo? ¿Cómo es eso posible?

Gran pregunta

Colisiones de protones contra mini-colisiones de quarks, gluones y anticuarks

Las colisiones de protones en el LHC ocurren con cierta energía. Esto fue 7 TeV = 7000 GeV en 2011, y 8 TeV = 8000 GeV en 2012. Pero los especialistas en física de partículas están interesados ​​principalmente en colisiones de un quark de un protón con un antiquark de otro protón, o colisiones de dos gluones, etc. - lo que puede conducir a la aparición de un fenómeno físico verdaderamente nuevo. Estas mini colisiones transportan una pequeña fracción de la energía total de colisión de protones. ¿Cuánta de esta energía pueden transportar, y por qué necesitabas aumentar la energía de colisión de 7 TeV a 8 TeV?

La respuesta está en la fig. 4. El gráfico muestra el número de colisiones registradas en el detector ATLAS. Los datos del verano de 2011 implican la dispersión de quarks, antiquarks y gluones de otros quarks, antiquarks y gluones. Tales mini-colisiones producen con mayor frecuencia dos chorros (chorros de hadrones, manifestaciones de quarks de alta energía, gluones o antiquarks eliminados de los protones parentales). Se miden las energías y las direcciones de los chorros, y la cantidad de energía que debería haber estado involucrada en la mini colisión se determina a partir de estos datos. El gráfico muestra el número de mini-colisiones de este tipo en función de la energía. El eje vertical es logarítmico: cada guión indica un aumento de 10 veces (10 ⁿ denota 1 yn ceros después). Por ejemplo, el número de mini-colisiones observadas en el intervalo de energía de 1550 a 1650 GeV fue igual a aproximadamente 10 ³ = 1000 (marcado por líneas azules). Tenga en cuenta que el gráfico comienza con una energía de 750 GeV, pero el número de mini-colisiones continúa creciendo si estudia chorros con energías más bajas, hasta el momento en que los chorros se vuelven demasiado débiles para detectarlos.


Fig. 4: número de colisiones en función de la energía (m _jj )

Tenga en cuenta que el número total de colisiones protón-protón con una energía de 7 TeV = 7000 GeV es cercano a 100,000,000,000,000. Y de todas estas colisiones, solo dos mini-colisiones superaron los 3,500 GeV, la mitad de la energía de colisión de protones. Teóricamente, la energía de una mini colisión puede aumentar a 7000 GeV, pero la probabilidad de esto siempre cae. Raramente vemos mini-colisiones con una energía de 6000 GeV que es poco probable que veamos una energía de 7000 GeV, incluso si recolectamos 100 veces más datos.

¿Cuáles son las ventajas de aumentar la energía de colisión de 7 TeV en 2010-2011 a 8 TeV en 2012? Obviamente, ahora lo que podría hacer en el nivel de energía E, ahora puede hacerlo en el nivel de energía de 8/7 E ≈ 1.14 E. Entonces, si antes podría esperar ver signos de un cierto tipo de partícula hipotética con masa de 1000 GeV / s ² , ahora podemos esperar alcanzar al menos 1100 GeV / s ² con el mismo conjunto de datos. Las capacidades de la máquina están aumentando: puede buscar partículas de una masa ligeramente mayor. Y si en 2012 recopila tres veces más datos que en 2011, recibirá un mayor número de colisiones para cada nivel de energía, y podrá ver signos de una partícula hipotética con una masa de, digamos, 1200 GeV / s ² .

Pero eso no es todo. Mira las líneas azul y verde en la fig. 4: muestran que ocurren a energías del orden de 1400 y 1600 GeV, de modo que se relacionan entre sí como 7 a 8. Al nivel de energía de colisión de protones de 7 TeV, el número de mini-colisiones de quarks con quarks, quarks con gluones, etc. n. con una energía de 1400 GeV más del doble del número de colisiones con una energía de 1600 GeV. Pero cuando la máquina aumenta la energía en 8/7, lo que se hizo para 1400 comienza a hacerse para 1600. En otras palabras, si está interesado en mini-colisiones de energía fija, su número aumenta, ¡y mucho más del 14% del aumento en la energía de colisión de protones! Esto significa que para cualquier proceso con una energía preferida, por ejemplo, la aparición de partículas ligeras de Higgs que se producen a energías del orden de 100-200 GeV, obtienes más resultados por el mismo dinero. Un aumento de 7 a 8 TeV significa que por la misma cantidad de colisiones de protones obtienes más partículas de Higgs. La producción de partículas de Higgs aumentará en aproximadamente 1.5. El número de quarks superiores y ciertos tipos de partículas hipotéticas aumentará un poco más.

Esto significa que, aunque en 2012 el número de colisiones de protones aumentó en 3 veces en comparación con 2011, el número total de partículas de Higgs obtenidas aumentará en casi 4 veces simplemente debido a un aumento en la energía.

Por cierto, foto. 4 también demuestra que los protones no consisten simplemente en dos quarks superiores y un quark inferior, como se muestra en las Figs. 3. Si fueran así, entonces los quarks tendrían que transferir aproximadamente un tercio de la energía del protón, y la mayoría de las mini colisiones pasarían con energías de aproximadamente un tercio de la energía de colisión del protón: en la región de 2300 GeV. Pero el gráfico muestra que en la región de 2300 GeV no sucede nada especial. Con energías de menos de 2300 GeV, hay muchas más colisiones, y cuanto más baja, más colisiones verá. Esto se debe a que el protón contiene una gran cantidad de gluones, quarks y antiquarks, cada uno de los cuales transfiere una pequeña parte de la energía del protón, pero hay tantos de ellos que participan en una gran cantidad de mini-colisiones. Esta propiedad del protón se muestra en la Fig. 2, aunque en realidad el número de gluones de baja energía y pares quark-antiquark es mucho mayor que el que se muestra en la figura.

Pero lo que el gráfico no muestra son las fracciones que, en mini-colisiones con cierta energía, ocurren en colisiones de quarks con quarks, quarks con gluones, gluones con gluones, quarks con antiquarks, etc. De hecho, esto no se puede decir directamente de los experimentos en el LHC: los chorros de quarks, antiquarks y gluones tienen el mismo aspecto. ¿Cómo conocemos estas acciones? Esta es una historia complicada, incluye muchos experimentos pasados ​​diferentes y una teoría que los combina. Y de esto sabemos que las mini-colisiones de las energías más altas generalmente ocurren en quarks con quarks y en quarks con gluones. Las colisiones a bajas energías generalmente ocurren entre gluones. Las colisiones de quarks y antiquarks son relativamente raras, pero son muy importantes para ciertos procesos físicos.

Distribución de partículas dentro del protón.

Fig. 5 5

Dos gráficos que difieren en la escala del eje vertical muestran la probabilidad relativa de colisión con un gluón, un quark superior o inferior, o un antiquark que transfiere una fracción de la energía del protón igual a x. En x pequeño, los gluones dominan (mientras que los quarks y los antiquarks se vuelven igualmente probables y numerosos, aunque todavía son más pequeños que los gluones), y en x medio, los quarks dominan (aunque hay muy pocos de ellos).

Ambas gráficas demuestran lo mismo, solo que con una escala diferente, por lo que lo que es difícil de ver en una de ellas es más fácil de ver en la otra. Y muestran esto: si un haz de protones vuela hacia ti en el Gran Colisionador de Hadrones y golpeas algo dentro del protón, ¿qué tan probable es que golpees el quark superior, o el quark inferior, o el gluón, o el antiquark superior, o el inferior? Un antiquark que transfiere una fracción de energía de protones igual a x? De estos gráficos se puede inferir que:

• El hecho de que todas las curvas crecen muy rápido en x pequeño (visto en el gráfico inferior), se deduce que la mayoría de las partículas en el protón transfieren menos del 10% (x <0.1) de la energía del protón, y la probabilidad de colisionar con una partícula que transporta poco energía, mucho más propensos a chocar con una partícula que transporta mucho. Al mismo tiempo, el 10% no es tan pequeño. En 2012, los rayos en el LHC alcanzaron energías de 4 TeV, por lo que el 10% significaba 400 GeV. Además, para crear una partícula de 124 GeV Higgs a partir de dos gluones, solo se requieren 62 GeV por gluón.
• Por el hecho de que la curva amarilla (abajo) es mucho más alta que las otras, se deduce que si te enfrentas a algo que transfiere menos del 10% de la energía del protón, entonces es muy probable que sea gluón; y cayendo por debajo del 2% de la energía del protón, es igualmente probable que sean quarks o antiquarks.
• Por el hecho de que la curva de gluón (arriba) cae por debajo de las curvas de quark al aumentar x, se deduce que si encuentra algo que transfiere más del 20% (x> 0.2) de la energía del protón, lo que ocurre muy, muy raramente. es muy probable que sea un quark, y la probabilidad de que sea el quark superior es el doble de probable que sea el quark inferior. Estos son los restos de la idea de que "un protón es dos quarks superiores y un quark inferior".
• Todas las curvas con un aumento en x caen bruscamente; Es muy poco probable que encuentre algo que lleve más del 50% de la energía del protón.

Estas observaciones se reflejan indirectamente en el gráfico de la Fig. 4. Aquí hay un par de cosas obvias sobre los dos gráficos:
• La mayor parte de la energía del protón se divide (aproximadamente por igual) entre un pequeño número de quarks de alta energía y un gran número de gluones de baja energía.
• Los gluones de baja energía predominan entre las partículas, seguidos de los quarks y antiquarks de muy baja energía.

El número de quarks y antiquarks es enorme, pero: el número total de quarks superiores menos el número total de antiquarks superiores es dos, y el número total de quarks inferiores menos el número total de antiquarks inferiores es uno. Como vimos anteriormente, los quarks adicionales llevan una parte tangible (pero no la principal) de la energía de un protón que vuela hacia ti. Y solo en este sentido podemos decir que el protón consiste principalmente en dos quarks superiores y un quark inferior.

Por cierto, toda esta información se obtuvo de una combinación emocionante de experimentos (principalmente sobre la dispersión de electrones o neutrinos de protones o de núcleos atómicos de hidrógeno pesado - deuterio que contiene un protón y un neutrón), recopilados juntos usando ecuaciones detalladas que describen la energía nuclear electromagnética e interacciones nucleares débiles. Esta larga historia se extiende desde finales de los años sesenta y principios de los setenta. Y funciona muy bien para predecir los fenómenos observados en colisionadores, donde los protones colisionan con protones y los protones chocan con antiprotones, como Tevatron y LHC.

Otra evidencia de estructura compleja de protones

Veamos algunos de los datos obtenidos en el LHC y cómo confirman las declaraciones sobre la estructura del protón (aunque la comprensión actual del protón apareció hace 3-4 décadas, gracias a muchos experimentos).

El gráfico de la fig. 4 se obtiene a partir de observaciones de colisiones durante las cuales algo como lo que se muestra en la Fig. 6: un quark o antiquark o gluón de un protón colisiona con un quark o antiquark o gluón de otro protón, se dispersa (o sucede algo más complicado, por ejemplo, dos gluones chocan y se convierten en un quark y antiquark), lo que resulta en dos partículas (quarks, antiquarks o gluones) vuelan lejos del punto de colisión. Estas dos partículas se convierten en chorros (chorros de hadrones). La energía y la dirección de los chorros se observan en los detectores de partículas que rodean el punto de colisión. Esta información se utiliza para comprender cuánta energía estaba contenida en la colisión de dos quarks / gluones / antiquarks iniciales. Más precisamente, la masa invariante de dos chorros multiplicada por c ² da la energía de colisión de los dos quarks / gluones / antiquarks iniciales.


Fig. 6 6

El número de colisiones de este tipo dependiendo de la energía se da en la Fig. 4. El hecho de que a bajas energías el número de colisiones es mucho mayor confirma el hecho de que la mayoría de las partículas dentro del protón transfieren solo una pequeña fracción de su energía. Los datos comienzan con energías de 750 GeV.


Fig. 7: datos para energías más bajas tomadas de un conjunto de datos más pequeño. Dijet masa - lo mismo que m _jj en la fig. 4)

Los datos para la Fig. 7 fueron tomadas del experimento CMS 2010 en el que trazaron colisiones de carne con energías de 220 GeV. Aquí el gráfico no se construye a partir del número de colisiones, sino un poco más complicado: el número de colisiones por GeV, es decir, el número de colisiones se divide por el ancho de la columna del histograma. Se puede ver que el mismo efecto continúa funcionando en todo el rango de datos. Las colisiones del tipo que se muestra en la fig. 6, ocurre mucho más bajo a bajas energías que a altas. Y este número continúa creciendo hasta que ya no es posible distinguir entre chorros. Un protón contiene muchas partículas de baja energía, y pocas de ellas transportan una fracción tangible de su energía.

¿Qué pasa con la presencia de antiquarks en un protón? Tres de los procesos más interesantes, no similares a la colisión que se muestra en la fig. 6, que a veces ocurre en el LHC (en uno de varios millones de colisiones protón-protón) incluye el proceso:

quark + antiquark -> W ⁺ , W ^- o partícula Z.

Se muestran en la fig. 8)


Fig. 8

Los datos correspondientes con CMS se dan en la fig. 9 y 10. Fig. 9 muestra que el número de colisiones que resultan en un electrón o positrón (izquierda) y algo indetectable (probablemente un neutrino o antineutrino), o un muón y un antimuón (derecha), se predice correctamente. La predicción se realiza combinando el Modelo Estándar (ecuaciones que predicen el comportamiento de partículas elementales conocidas) y la estructura del protón. Grandes picos de datos surgen debido a la aparición de partículas W y Z. La teoría coincide perfectamente con los datos.


Fig. 9: puntos negros - datos, amarillo - predicciones. El número de eventos se indica en miles. Izquierda: el pico central aparece debido a los neutrinos en las partículas W. A la derecha, se combinan el leptón y el antileptón que aparecen en la colisión, y se implica la masa de la partícula de la que surgieron. El pico aparece debido a las partículas Z resultantes.

Se pueden ver más detalles en la fig. 10, donde se demuestra que la teoría, en términos del número de mediciones no solo indicadas sino también relacionadas, la mayoría de las cuales están asociadas con colisiones de quarks con antiquarks, coincide perfectamente con los datos. Los datos (puntos rojos) y la teoría (segmentos azules) nunca coinciden exactamente debido a fluctuaciones estadísticas, por la misma razón que arrojas una moneda diez veces y no obtienes cinco "águilas" y cinco "colas". Por lo tanto, los puntos de datos se colocan dentro de la "franja de error", una franja roja vertical. El tamaño de la banda es tal que para el 30% de las mediciones, la banda de error debe bordear la teoría, y solo para el 5% de las mediciones, debe estar separada de la teoría por dos bandas. Se puede ver que toda la evidencia confirma que el protón contiene muchos antiquarks. Y entendemos correctamente la cantidad de anticuarios,llevando una cierta fracción de la energía del protón.


Fig. 10

Entonces todo es un poco más complicado. Sabemos así como nosotros tenemos quarks arriba y abajo, dependiendo de la energía transportada por ellos como correctamente predecir - con una precisión de menos de un 10% - como las partículas de la W ⁺ es mayor que las partículas de la W ^- (Figura 11).


Fig. 11

La proporción de los antiquarks superiores a inferiores debería ser cercana a 1, pero los quarks superiores deberían ser mayores que los inferiores, especialmente a altas energías. En la fig. 6 se puede ver que la proporción de las partículas resultantes W ⁺ y W ^- debería darnos aproximadamente la proporción de los quarks superiores y los quarks inferiores involucrados en la producción de partículas W. Pero en la Fig. 11 muestra que la relación medida de partículas W ⁺ a W ^-es 3 a 2, no 2 a 1. Esto también muestra que la idea ingenua de un protón que consta de dos quarks superiores y un quark inferior está demasiado simplificada. La relación simplificada de 2 a 1 es borrosa, porque el protón contiene muchos pares quark-antiquark, de los cuales los superiores e inferiores se obtienen aproximadamente por igual. El grado de desenfoque está determinado por la masa de partículas W de 80 GeV. Si lo hace más fácil, habrá más desenfoque, y si es más difícil, menos, porque la mayoría de los pares quark-antiquark en el protón llevan poca energía.

Finalmente, confirmemos el hecho de que la mayoría de las partículas en el protón son gluones.


Fig. 12

Para esto, utilizaremos el hecho de que los quarks superiores se pueden crear de dos maneras: quark + antiquark -> quark superior + antiquark superior, o gluon + gluon -> quark superior + antiquark superior (Fig. 12). Sabemos la cantidad de quarks y antiquarks según la energía que transportan, según las mediciones ilustradas en la Fig. 9-11. Basado en esto, puede usar las ecuaciones del Modelo Estándar para predecir cuántos quarks superiores resultarán de colisiones de solo quarks y antiquarks. También creemos, sobre la base de datos anteriores, que hay más gluones en el protón, por lo tanto, el proceso gluón + gluón -> quark superior + antiquark superior debería ocurrir no menos de 5 veces más a menudo. Es fácil verificar si hay gluones; de lo contrario, los datos deberían estar muy por debajo de las predicciones teóricas.


Fig. 13: los datos (puntos negros) corresponden a predicciones teóricas (columnas rojas). Derivado de la medición de energía electrónica en colisiones.

Resulta que los datos están de acuerdo con las expectativas teóricas. Por lo tanto, podemos confirmar que, de hecho, la mayoría de las partículas en el protón son gluones que transportan una pequeña fracción de la energía del protón.