- La colaboración ATLAS descubre que la estructura interna de los nucleones en el borde y en el centro del núcleo atómico es diferente.
- La distribución del momento de los quarks y gluones dentro de los nucleones cambia según su posición.
- Los investigadores resuelven el enigma de las funciones de distribución de partones nucleares mediante colisiones de iones de plomo.
- Las pruebas estadísticas muestran diferencias significativas en la distribución entre los nucleones del borde y del centro del núcleo.
Investigadores de la colaboración ATLAS del CERN en Suiza han hallado el origen de una observación realizada hace más de 40 años. Al analizar los datos de experimentos de 2018, los científicos descubrieron que los nucleones situados en el borde del núcleo atómico tienen una estructura interna distinta a la de los que se encuentran en el centro. Para la mayoría de las personas, el átomo es la parte más pequeña e indivisible de un elemento químico. Sin embargo, para los físicos nucleares, el átomo es la unidad más grande que suelen considerar, y se trata de un complejo conjunto de partículas subatómicas que va más allá de protones, neutrones y electrones, con el fin de comprender la naturaleza y el comportamiento de estos componentes.
Cambios en la estructura interna de los nucleones
Observaciones previas de los nucleones —los protones y neutrones situados en el núcleo atómico— mostraron que la distribución del momento de los quarks y gluones en su interior también cambia según su posición. Esta observación fue planteada por primera vez por la Colaboración Europea del Muón (EMC) en 1982, otro grupo experimental del CERN. Sin embargo, la causa de esta observación seguía siendo esquiva. Este fenómeno se conoce como funciones de distribución de partones nucleares (nuclear PDFs o nPDFs), y lo sorprendente es que la energía necesaria para mantener unidos a los nucleones en el núcleo es insignificante comparada con la energía requerida para resolver su estructura interna.
Los investigadores de la colaboración ATLAS recurrieron a colisiones ultraperiféricas de iones de plomo para resolver este enigma. En estas colisiones, los iones no chocan frontalmente, sino que se acercan sin superponerse, interactuando a través de sus campos electromagnéticos. En algunas colisiones, un fotón emitido por un núcleo golpea a otro núcleo, generando chorros estrechos de partículas que permiten estudiar los partones dentro del núcleo. Normalmente, estas interacciones destruyen el núcleo y liberan neutrones «hacia adelante» que pueden ser detectados por el calorímetro de grado cero (ZDC) del experimento ATLAS. En un pequeño número de casos, sin embargo, el fotón no destruye el núcleo, sino que simplemente golpea a un nucleón, por lo que no se producen neutrones «hacia adelante».
Los investigadores utilizaron datos de colisiones de iones de plomo de 2018, con una luminosidad integrada de 1,72 nb⁻¹.
Método para identificar las nPDFs
¿Cómo identificar las nPDFs? Para detectar los raros eventos en los que el fotón golpea únicamente a un nucleón, los investigadores seleccionaron colisiones que producían al menos dos chorros (jets) pero casi ninguna actividad adicional en el ZDC. A continuación, clasificaron estas colisiones en dos categorías: las que incluyen neutrones hacia adelante (etiquetadas como 0nXn) y las colisiones ultraperiféricas sin neutrones hacia adelante (etiquetadas como 0n0n). En las colisiones con neutrones, el nucleón golpeado puede estar situado más profundamente en el núcleo, mientras que en las ultraperiféricas es más probable que se halle en el borde. Mediante la medición de los chorros observados, los investigadores asignaron variables proxy a la cinemática de los partones.
La variable x+ es una de ellas y ayuda a estimar la fracción del momento del nucleón que porta el partón golpeado. Al comparar la distribución de x+ de ambos tipos de eventos, los investigadores buscaban identificar cambios en las PDF. Observaron una pendiente clara al comparar las colisiones con neutrones y las ultraperiféricas, lo que indica diferencias en sus nPDFs. Para determinar si estas diferencias son estadísticamente significativas, el equipo realizó pruebas estadísticas que confirmaron que los nucleones situados en el borde del núcleo tienen una distribución de partones distinta a la de los del centro, según el comunicado de prensa.
Cómo la investigación de ATLAS cambia la comprensión de la física nuclear
El hallazgo de la colaboración ATLAS tiene una gran importancia para la física nuclear, ya que desafía nuestra comprensión fundamental de la estructura interna del núcleo atómico. Las investigaciones anteriores se centraban principalmente en el comportamiento global de los nucleones, mientras que este estudio revela la influencia de la posición en la estructura interna de los nucleones, ofreciendo una nueva perspectiva para entender las interacciones entre ellos. Además, las innovaciones técnicas de esta investigación, especialmente su aplicación en experimentos de colisión, podrían abrir nuevas vías para futuros estudios de física nuclear, impulsando una exploración más profunda del comportamiento de las partículas subatómicas.