Protones y neutrones: amontonamiento dentro de la materia

En el centro de cada átomo hay un núcleo, una pequeña colección de partículas llamadas protones y neutrones. En este artículo estudiaremos la naturaleza de los protones y neutrones, que consisten en partículas aún más pequeñas en tamaño: quarks, gluones y antiquarks. (Los gluones, como los fotones, son antipartículas por sí mismos). Los quarks y los gluones, hasta donde sabemos, pueden ser verdaderamente elementales (indivisibles y no consistentes en algo más pequeño). Pero para ellos más tarde.

Sorprendentemente, la masa de protones y neutrones es casi la misma, hasta un porcentaje:

• 0.93827 GeV / s ² en el protón,
• 0.93957 GeV / s ² en el neutrón.

Esta es la clave de su naturaleza: en realidad son muy similares. Sí, hay una diferencia obvia entre ellos: el protón tiene una carga eléctrica positiva y el neutrón no tiene carga (es neutral, de ahí su nombre). En consecuencia, las fuerzas eléctricas actúan sobre el primero, pero no sobre el segundo. A primera vista, esta diferencia parece muy importante. Pero en realidad esto no es así. En todos los demás sentidos, un protón con un neutrón es casi gemelo. Son idénticos no solo a las masas, sino también a la estructura interna.

Debido a que son muy similares, y dado que los núcleos están formados por estas partículas, los protones y los neutrones a menudo se llaman nucleones.

Los protones se identificaron y describieron alrededor de 1920 (aunque se descubrieron antes; el núcleo de un átomo de hidrógeno es solo un protón separado), y se encontraron neutrones en algún lugar en 1933. El hecho de que los protones y los neutrones son tan similares entre sí, lo entendieron casi de inmediato. Pero no sabían que tenían un tamaño medible comparable al tamaño del núcleo (aproximadamente 100,000 veces más pequeño que el átomo en radio) hasta 1954. El hecho de que consisten en quarks, antiquarks y gluones se comprendió gradualmente desde mediados de los años sesenta hasta mediados de los setenta. A finales de los años 70 y principios de los 80, nuestra comprensión de los protones, los neutrones y en qué consisten, se ha establecido en su mayor parte y no ha cambiado desde entonces.

Los nucleones son mucho más difíciles de describir que los átomos o núcleos. No quiere decir que los átomos sean básicamente simples , pero al menos se puede decir sin dudar que un átomo de helio consiste en dos electrones que están en órbita alrededor de un pequeño núcleo de helio; y el núcleo de helio es un grupo bastante simple de dos neutrones y dos protones. Pero con los nucleones, no todo es tan simple. Ya escribí en el artículo " ¿Qué es un protón y qué hay dentro de él? " Que el átomo se ve como un elegante minueto, y el nucleón se ve como una fiesta salvaje.

La complejidad del protón y el neutrón, al parecer, es muy ambiciosa y no se deriva del conocimiento físico incompleto. Tenemos ecuaciones utilizadas para describir quarks, antiquarks y gluones, así como las fuertes interacciones nucleares que se producen entre ellos. Estas ecuaciones se llaman QCD, de " cromodinámica cuántica ". La precisión de las ecuaciones se puede verificar de varias maneras, incluida la medición del número de partículas que aparecen en el Gran Colisionador de Hadrones. Sustituyendo las ecuaciones QCD en una computadora y comenzando los cálculos de las propiedades de protones y neutrones y otras partículas similares (con el nombre general de "hadrones"), obtenemos predicciones de las propiedades de estas partículas, que están muy cerca de las observaciones realizadas en el mundo real. Por lo tanto, tenemos razones para creer que las ecuaciones QCD no mienten, y que nuestro conocimiento del protón y el neutrón se basa en las ecuaciones correctas. Pero solo tener las ecuaciones correctas no es suficiente, porque:

• Las ecuaciones simples pueden tener soluciones muy complejas,
• A veces es imposible describir soluciones complejas de una manera simple.

Hasta donde podemos decir, este es el caso de los nucleones: estas son soluciones complejas para ecuaciones QCD simples, y no es posible describirlas con un par de palabras o imágenes.

Debido a la complejidad interna de los nucleones, usted, el lector, tendrá que elegir: ¿cuánto desea aprender sobre la complejidad descrita? No importa cuán lejos llegue, lo más probable es que no le brinde satisfacción: cuanto más aprenda, más claro será el tema, pero la respuesta final seguirá siendo la misma: el protón y el neutrón son muy complejos. Puedo ofrecerle tres niveles de comprensión, con un aumento en los detalles; puede detenerse después de cualquier nivel y cambiar a otros temas, o puede sumergirse en el último. Con respecto a cada nivel, surgen preguntas, las respuestas a las que puedo dar parcialmente en el siguiente, pero las nuevas respuestas generan nuevas preguntas. Al final, como lo hago en las discusiones profesionales con colegas y estudiantes avanzados, solo puedo referirlo a los datos obtenidos en experimentos reales, a varios argumentos teóricos influyentes y simulaciones por computadora.

Primer nivel de comprensión

¿De qué están hechos los protones y los neutrones?


Fig. 1: una versión excesivamente simplificada de protones que consta de solo dos quarks superiores y un quark inferior, y neutrones que consisten en solo dos quarks inferiores y uno superior

Para simplificar el asunto, muchos libros, artículos y sitios web indican que los protones consisten en tres quarks (dos superiores y uno inferior) y dibujan algo como el arroz. 1. El neutrón es el mismo, solo consta de un quarks superior y dos inferiores. Esta simple imagen ilustra lo que algunos estudiosos creían, principalmente en la década de 1960. Pero pronto se hizo evidente que este punto de vista se simplificaba demasiado hasta tal punto que ya no era correcto.

A partir de fuentes de información más sofisticadas, aprenderá que los protones consisten en tres quarks (dos superiores y uno inferior) unidos por gluones, y allí puede aparecer una imagen similar a la Fig. 2. 2, donde los gluones se dibujan en forma de resortes o hilos que sostienen quarks. Los neutrones son iguales, con solo un quark superior y dos inferiores.


Fig. 2: mejora de la fig. 1 debido al énfasis en el importante papel de la interacción nuclear fuerte que tiene quarks en un protón

Esta no es una mala manera de describir los nucleones, ya que enfatiza el importante papel de la interacción nuclear fuerte que mantiene a los quarks en un protón debido a los gluones (al igual que un fotón, una partícula, de la que se forma la luz) está conectada con la interacción electromagnética. Pero esto también es confuso, porque realmente no explica qué son los gluones y qué hacen.

Hay razones para seguir adelante y describir cosas como lo hice en otros artículos : un protón consta de tres quarks (dos superiores y uno inferior), un montón de gluones y montañas de pares quark-antiquark (principalmente estos son los quarks superior e inferior, pero hay varios raro) Todos vuelan de ida y vuelta a una velocidad muy alta (acercándose a la velocidad de la luz); Todo este conjunto se mantiene en su lugar gracias a una fuerte interacción nuclear. Lo demostré en la fig. 3. Los neutrones son nuevamente iguales, pero con un quarks superior y dos inferiores; el quark afiliado se indica con una flecha.


Fig. 3: una imagen más realista, aunque aún imperfecta, de protones y neutrones

Estos quarks, antiquarks y gluones no solo se apresuran de un lado a otro, sino que también chocan entre sí y se convierten entre sí a través de procesos como la aniquilación de partículas (en el que un quark y un antiquark del mismo tipo se convierten en dos gluones, o viceversa) o absorción y emisión de gluón (en el que un quark y un gluón pueden colisionar y generar un quark y dos gluones, o viceversa).

Lo que estas tres descripciones tienen en común:

• Los dos quarks superiores y el quark inferior (más algo más) tienen un protón.
• Un quark superior y dos quarks inferiores (más algo más) tienen un neutrón.
• "Algo más" para los neutrones coincide con "algo más" para los protones. Es decir, los nucleones "tienen algo más" igual.
• Aparece una pequeña diferencia de masa entre el protón y el neutrón debido a la diferencia de masa entre el quark inferior y el superior.

Y desde:

• en los quarks superiores, la carga eléctrica es 2/3 e (donde e es la carga de protones, -e es la carga de electrones),
• en quarks inferiores, la carga es -1 / 3e,
• los gluones tienen una carga de 0,
• cualquier quark y su correspondiente antiquark tienen una carga total de 0 (por ejemplo, el quark anti-bajo tiene una carga de + 1 / 3e, de modo que el quark inferior y el antiquark inferior tienen una carga de –1/3 e +1/3 e = 0),

Cada figura relaciona la carga eléctrica de un protón con la cuenta de los dos quark superiores y uno inferior, y "algo más" se suma a la carga 0. De la misma manera, el neutrón tiene una carga cero debido a un quarks superior y dos inferiores:

• la carga eléctrica total del protón es 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
• la carga eléctrica total del neutrón es 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.

Estas descripciones difieren en lo siguiente:

• cuánto "algo más" dentro del nucleón,
• que esta haciendo alli
• de dónde provienen la masa y la energía de la masa (E = mc ² , la energía presente allí, incluso cuando la partícula está en reposo) nucleón.

Como la mayor parte de la masa de un átomo, y por lo tanto de toda la materia ordinaria, está contenida en protones y neutrones, el último punto es extremadamente importante para una correcta comprensión de nuestra naturaleza.

Fig. 1 indica que los quarks, de hecho, representan un tercio del nucleón, aproximadamente de la misma manera que un protón o neutrón representa una cuarta parte del núcleo de helio o 1/12 del núcleo de carbono. Si este patrón fuera cierto, los quarks en el nucleón se moverían de manera relativamente lenta (con velocidades mucho más bajas que la luz) con interacciones relativamente débiles que actúan entre ellos (aunque con alguna fuerza poderosa manteniéndolos en su lugar). La masa del quark, superior e inferior, sería del orden de 0.3 GeV / s ² , aproximadamente un tercio de la masa del protón. Pero esta simple imagen y las ideas que se les imponen son simplemente incorrectas.

Fig. 3. da una idea completamente diferente de un protón como una caldera de partículas corriendo a velocidades cercanas a la luz. Estas partículas chocan entre sí, y en estas colisiones algunas de ellas se aniquilan, mientras que otras se crean en su lugar. Los gluones no tienen masa, las masas de los quarks superiores son del orden de 0.004 GeV / s ² , y las inferiores del orden de 0.008 GeV / s ² son cientos de veces más pequeñas que el protón. El origen de la energía de masa de protones es una pregunta complicada: parte de ella proviene de la energía de masa de quarks y antiquarks, parte de la energía de movimiento de quarks, antiquarks y gluones, y parte (posiblemente positiva, posiblemente negativa) de la energía almacenada en una interacción nuclear fuerte, sosteniendo quarks, antiquarks y gluones juntos.

En cierto sentido, la fig. 2 intenta eliminar la diferencia entre la fig. 1 y la fig. 3. Simplifica la fig. 3, eliminando muchos pares quark-antiquark, que, en principio, pueden llamarse efímeros, ya que constantemente surgen y desaparecen, y no son necesarios. Pero da la impresión de que los gluones en los nucleones son una parte directa de la interacción nuclear fuerte que contiene los protones. Y ella no explica de dónde viene la masa del protón.

En la fig. 1 hay otro inconveniente, a excepción de los marcos estrechos del protón y el neutrón. No explica algunas de las propiedades de otros hadrones, por ejemplo, pion y p-meson . El arroz tiene los mismos problemas. 2)

Estas restricciones han llevado al hecho de que mis alumnos y en mi sitio, les doy una foto con arroz. 3. Pero quiero advertir que ella también tiene muchas restricciones, que consideraré más adelante.

Vale la pena señalar que la extrema complejidad de la estructura, la fig. 3, uno esperaría de un objeto que se mantiene unido por una fuerza tan poderosa como la interacción nuclear fuerte. Y una cosa más: tres quarks (dos superiores y uno inferior en el protón), que no forman parte del grupo de pares de quark antiquark, a menudo se llaman "quarks de valencia", y los pares de quark antiquark a menudo se llaman "pares del mar de quark". Tal lenguaje es técnicamente conveniente en muchos casos. Pero da la falsa impresión de que si pudieras mirar dentro del protón y observar cierto quark, podrías decir de inmediato si es parte del mar o de la valencia. Esto no se puede hacer, simplemente no existe tal forma.

Masa de protones y masa de neutrones

Dado que las masas del protón y el neutrón son muy similares, y dado que el protón y el neutrón difieren solo en el reemplazo del quark superior por el inferior, parece probable que sus masas se proporcionen de la misma manera, provienen de la misma fuente, y su diferencia es una ligera diferencia entre los quarks superior e inferior . Pero las tres figuras mostradas indican la presencia de tres puntos de vista muy diferentes sobre el origen de la masa de protones.

Fig. 1 indica que los quarks superiores e inferiores simplemente constituyen 1/3 de la masa del protón y el neutrón: del orden de 0.313 GeV / s ² , o debido a la energía necesaria para mantener los quarks en el protón. Y dado que la diferencia entre las masas del protón y el neutrón es una fracción de un porcentaje, la diferencia entre las masas de los quarks superior e inferior también debería ser una fracción de un porcentaje.

Fig. 2 es menos claro. ¿Qué parte de la masa de protones se debe a los gluones? Pero, en principio, se deduce de la figura que la mayor parte de la masa de protones todavía proviene de la masa de quarks, como en la Fig. 1)

Fig. 3 refleja un enfoque más sutil de cómo aparece realmente la masa de protones (ya que podemos verificar directamente a través de cálculos informáticos del protón, y no directamente usando otros métodos matemáticos). Es muy diferente de las ideas presentadas en la Fig. 1 y 2, y resulta que no es tan simple.

Para entender cómo funciona esto, uno debe pensar no en términos de la masa de protones m, sino en términos de su energía de masa E = mc ² , la energía asociada con la masa. La pregunta conceptualmente correcta no es "de dónde vino la masa de protones m", después de lo cual puedes calcular E multiplicando m por c ² , sino viceversa: "de dónde viene la energía de masa de protones E", después de lo cual puedes calcular la masa m, dividiendo E por c ² .

Es útil clasificar las contribuciones a la energía de masa de protones en tres grupos:

A) La energía de la masa (energía de reposo) de los quarks y antiquarks contenidos en ella (gluones, partículas sin masa, no contribuyen).
B) La energía del movimiento (energía cinética) de los quarks, antiquarks y gluones.
C) La energía de interacción (energía de unión o energía potencial) almacenada en una interacción nuclear fuerte (más precisamente, en campos de gluones) que contienen el protón.

Fig. 3 indica que las partículas dentro del protón se mueven a alta velocidad y que está lleno de gluones sin masa, por lo que la contribución de B) es mayor que A). Por lo general, en la mayoría de los sistemas físicos, B) y C) son comparables, mientras que C) a menudo es negativo. Entonces, la energía de masa del protón (y el neutrón) se obtiene principalmente de una combinación de B) y C), y A) contribuye con una pequeña fracción. Por lo tanto, las masas del protón y el neutrón aparecen principalmente no por las masas de las partículas contenidas en ellas, sino por las energías de movimiento de estas partículas y la energía de su interacción asociada con los campos de gluones que generan las fuerzas que sostienen el protón. En la mayoría de los otros sistemas que conocemos, el balance de energía se distribuye de manera diferente. Por ejemplo, en los átomos y en el sistema solar A) domina, y B) y C) son mucho más pequeños y comparables en magnitud.

En resumen, indicamos que:

• Fig. 1 sugiere que la energía de masa de protones proviene de la contribución de A).
• Fig. 2 asume que ambas contribuciones A) y B) son importantes, y B) hace un poco de su parte.
• Fig. 3 sugiere que B) y C) son importantes, y la contribución de A) es insignificante.

Sabemos que la fig. 3. Para verificarlo, podemos realizar simulaciones por computadora y, lo que es más importante, gracias a varios argumentos teóricos convincentes, sabemos que si las masas de los quarks superiores e inferiores fueran cero (y todo lo demás permaneciera como estaba), la masa del protón prácticamente no cambiaría Entonces, aparentemente, las masas de quarks no pueden hacer contribuciones importantes a la masa del protón.

Si pic. 3 no miente, las masas del quark y antiquark son muy pequeñas. ¿Cómo son realmente? La masa del quark superior (así como el antiquark) no excede 0.005 GeV / s ² , que es mucho menor que 0.313 GeV / s ² , que se deduce de la Fig. 1. (La masa del quark superior es difícil de medir, y este valor cambia debido a los efectos sutiles, por lo que puede ser mucho menor que 0.005 GeV / s ² ). La masa del quark inferior es aproximadamente 0.004 GeV / s ² más que la masa del superior. Esto significa que la masa de cualquier quark o antiquark no supera el uno por ciento de la masa del protón.

¡Tenga en cuenta que esto significa (al contrario de la figura 1) que la proporción de la masa del quark inferior al superior no se acerca a la unidad! La masa del quark inferior es al menos el doble de la masa del superior. La razón por la que las masas de neutrones y protones son tan similares no es porque las masas de los quarks superiores e inferiores son similares, sino porque las masas de los quarks superiores e inferiores son muy pequeñas, y la diferencia entre ellas es pequeña, en relación con las masas de los protones y los neutrones. Recuerde que para convertir un protón en un neutrón, solo necesita reemplazar uno de sus quarks superiores con el inferior (Fig. 3). Este reemplazo es suficiente para hacer que el neutrón sea un poco más pesado que el protón y cambiar su carga de + e a 0.

Por cierto, el hecho de que varias partículas dentro de un protón colisionen entre sí, y constantemente aparecen y desaparecen, no afecta las cosas que estamos discutiendo: la energía se almacena en cualquier colisión. La energía de la masa y la energía del movimiento de los quarks y los gluones pueden cambiar, así como la energía de su interacción, pero la energía total del protón no cambia, aunque todo lo que está dentro de él cambia constantemente. Entonces la masa del protón permanece constante, a pesar de su vórtice interno.

En este punto, puede parar y absorber la información recibida. Asombroso! Casi toda la masa contenida en la materia ordinaria proviene de la masa de nucleones en los átomos. Y la mayor parte de esta masa proviene del caos inherente al protón y al neutrón, a la energía del movimiento de los quarks, gluones y anticuarcos en los nucleones, y de la energía del trabajo de fuertes interacciones nucleares que mantienen al nucleón en todo el estado. Sí: nuestro planeta, nuestros cuerpos, nuestra respiración son el resultado de una aglomeración tan tranquila y, hasta hace poco, inimaginable.