El protón es una de las partículas elementales, la cual parece a su vez tener una estructura interna. Esto se sabe debido a las colisiones de estas partículas que se hacen en los grandes colisionadores de hadrones, como el que se encuentra en Suiza. Hoy parece ser se puede llegar a entender más la estructura de esta partícula elemental gracias a un experimento que ha llevado siete años, liderado por los investigadores del MIT (Massachussetts Institute of Technology).
Por muchos años, los investigadores han intentado averiguar cuál es exactamente la estructura del protón, el cual es una partícula con carga positiva, y que ha sido bombardeada con electrones (de carga negativa), para así ver la intensidad de los electrones dispersados a diferentes ángulos.
De esta manera se ha intentado determinar cómo se distribuye la carga eléctrica y la magnética. Estos experimentos han llevado antes a asumir que la distribución de carga eléctrica y magnética es la misma y que un fotón -una partícula elemental de la luz- es intercambiado cuando estos interactúan con los electrones que los bombardean.
Sin embargo, a principios del nuevo siglo, los investigadores empezaron a realizar experimentos usando rayos de electrones polarizados, los cuales pueden medir la dispersión elástica electrón-protón usando el espín (giro), de los protones y electrones. Estos experimentos revelaron que la distribución de la carga eléctrica y magnética del protón decrecía dramáticamente cuando se tenían interacciones de altas energías entre precisamente, protones y electrones.
Esto llevo a concluir que no es uno, sino dos fotones, que se intercambian a veces durante esta interacción, causando una distribución desigual de la carga. Lo que es más, la nueva idea (teoría), predice que ambas de estas partículas podrían llamarse “duras”, o dicho de otra manera, en “fotones de alta energía”.
En un esfuerzo por identificar este “intercambio de dos fotones”, un equipo internacional, liderado por investigadores del Laboratorio de Ciencia Nuclear del MIT, llevó a cabo un experimento de siete anos, denominado OLYMPUS, en el Sincrotón de Electrones de Alemania (DESY), en Hamburgo.
En un artículo publicado esta semana en la edición de Physical Review Letters, los investigadores revela los resultados de sus experimentos donde se indica que dos fotones, efectivamente, se intercambian durante la interacción protón-electrón.
No obstante esto, al contrario de las predicciones teóricas, el análisis de las medidas de OLYMPUS sugieren que la mayoría de las ocasiones, solamente uno de los fotones tiene alta energía, mientras que el otro lleva muy poca energía, esto de acuerdo a Richard Milner, un profesor de física y miembro del Laboratorio para la Ciencia Nuclear, del grupo de físicos hadrónicos, quien lidera el experimento. “Hemos visto poca si no falta de evidencia para un intercambio duro de fotones”, dice Milner.
El experimento, que se llevó a cabo al mismo tiempo en Alemania, Estados Unidos y Rusia, involucró bombardear los protones con electrones de carga negativa y positrones de carga positiva (ambos con la masa del electrón, es decir, partícula y antipartícula), y comparar entonces la diferencia entre las dos interacciones, esto de acuerdo a Douglas Hasell, el científico investigador principal del grupo en el MIT, el cual es otro de los autores del artículo.
El proceso producirá una medición diferente aunque muy sutil, dependiendo de si los protones son dispersados por electrones o positrones. Hasell dice: “Si se ve una diferencia (en las mediciones), esto podría indicar que hay un efecto de dos fotones el cual es significativo”.
Los experimentos de colisiones se llevaron a cabo por tres meses y los datos resultantes tomaron tres años para ser analizados, indica Hasell. La diferencia entre los resultados teóricos y experimentales significa que se requieren de más experimentos que se lleven a cabo en el futuro, con incluso energías más altas, donde se espera que el efecto de intercambio de los dos fotones sea más grande, comenta Hasell.
Pero los experimentos por hacer podrían ser complicados para lograr el nivel de precisión alcanzada en el experimento OLYMPUS. “Corrimos este experimento por tres meses y produjimos medidas muy precisas. Habrá que correr experimentos por años para alcanzar el mismo nivel de precisión antes de que el desempeño (del experimento) pudiese mejorarse”.
En el futuro inmediato, el plan de los investigadores es ver cómo la comunidad de la física teórica responde a los datos antes de decidir cuál es el paso a seguir, dice Hasell.
Referencias: Physical Review Letters, Phys.org