La ciencia de la mula Francis

EL BLOG DE FRANCISCO R. VILLATORO

Cómo cambian los nucleones al ser confinados en un núcleo

Los nucleones (protones y neutrones) están formados por quarks. En 1983 el proyecto EMC (European Muon Collaboration) del CERN descubrió que la distribución del momento lineal de los quarks en el nucleón es diferente si está dentro de un núcleo atómico o si está libre; la diferencia crece con la masa del núcleo. Se publica en Nature un artículo de la Colaboración CLAS del Jefferson Lab que desvela la causa de este fenómeno, llamado efecto EMC. En un núcleo masivo se forman correlaciones de corto alcance entre pares de nucleones, llamados pares SRC (short-range correlated), de muy corta vida. El número de estos pares SRC crece con la masa del núcleo. Cuando se descuenta su efecto se obtiene una ley universal,  independiente de la masa del núcleo.

Se dice que los nucleones son isófugos(isophobic) porque los pares SRC se forman con preferencia entre protones y neutrones, en lugar de entre neutrones y neutrones, o protones y protones. Así el número de pares SRC depende del cociente entre neutrones y protones en el núcleo (N/Z); recuerda que este cociente crece con la masa atómica de los núcleos (A = Z + N). La Colaboración CLAS ha obtenido las medidas de mayor precisión del efecto EMC y de la abundancia de los pares SRC hasta ahora. Gracias a ello se ha podido desvelar la relación causa/efecto entre ambos fenómenos para núcleos con A ≥ 12 (más pesados que el carbono). Además, se ha obtenido una nueva relación de universalidad que tendrá que ser confirmada con futuras simulaciones numéricas usando cromodinámica en el retículo (Lattice QCD).

Los nuevos resultados de la Colaboración CLAS son muy relevantes para todos los experimentos que usan núcleos atómicos como blancos, como los detectores de neutrinos. El artículo es The CLAS Collaboration, “Modified structure of protons and neutrons in correlated pairs,” Nature 566: 354–358 (20 Feb 2019), doi: 10.1038/s41586-019-0925-9; más información en Gerald Feldman, “Why neutrons and protons are modified inside nuclei,” Nature 566: 332-333 (20 Feb 2019), doi: 10.1038/d41586-019-00577-0.

La Colaboración CLAS estudia el interior del nucleón gracias al impacto contra núcleos (C, Al, Fe, o Pb) de electrones de alta energía (5.01 GeV), que transfieren a los nucleones un momento entre 1 y 2 GeV/c. Para los núcleos pesados con muchos neutrones y protones, hay una mayor probabilidad de un protón forme un par SRC con un neutrón, por lo que el efecto EMC, la modificación de la distribución de momento de los quarks en estos nucleones, es mayor. En esta figura se muestra el cociente entre σ_A/A y σ_d/d, es decir, entre la sección eficaz de dispersión profundamente inelástica (DIS) entre electrones y núcleos de masa atómica A>2, y la obtenida entre electrones y núcleos de deuterio (A=2). Este cociente se muestra en función de la fracción x_B del momento del nucleón de cada quark (partón) que interacciona con el electrón incidente.

En esta figura se muestra el cociente entre σ_A/A y σ_d/d para grandes valores de x_B; la presencia de los pares SRC se observa en el valor constante para 1.45 ≤ x_B ≤ 1.9. Por cierto, el efectos de los tríos SRC es despreciable (al menos un orden de magnitud menor que la de los pares SRC). Al tener en cuenta los pares SRC se puede obtener una descripción universal del efecto EMC. Gracias a ello se puede se puede determinar mejor la diferencia entre la estructura interna de los nucleones libres y los ligados a los núcleos, pudiendo verificar con mayor precisión las predicciones de la cromodinámica cuántica en los núcleos.

Esta figura ilustra mejor la ley universal para las distribuciones de partones en función de la distribución de pares SRC. En la parte izquierda se observa el cociente entre la función de estructura por nucleón para diferentes núcleos (A>2)  y la del deuterio (A=2); según la barra de colores, el color amarillo es para A=3 y el verde más oscuro para A=208. En la parte derecha se observa el cociente corregido teniendo en cuenta los pares SRC, que ilustra la universalidad observada.

Esta última figura ilustra aún mejor la universalidad mostrando cómo la pendiente del efecto EMC (azul) corregida con el efecto de los pares SRC (rojo) tiene un valor constante. Esta nueva modificación universal de la función de distribución de partones en los núcleos pesados nos recuerda que aún hay muchas cosas que ignoramos sobre la explicación de los núcleos atómicos usando la QCD (es decir, el modelo estándar). Los experimentos de detección de neutrinos (que se dispersan con preferencia en quarks d) y antineutrinos (que prefieren dispersarse en quarks u) que usan blancos más pesados que el carbono deberán tener en cuenta la modificación universal de las distribuciones de partones. Si no, podrían interpretar de forma errónea ciertos resultados como resultado de la asimetría CP. Sin lugar a dudas estamos ante un trabajo muy relevante de la Colaboración CLAS.