Miden los factores de forma de neutrones con una precisión nunca antes obtenida

Detector BES-III en el Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) en Beijing. Crédito: Instituto de Física de Altas Energías (IHEP), Beijing
Detector BES-III en el Instituto de Física de Altas Energías (IHEP) en Beijing. Crédito: Instituto de Física de Altas Energías (IHEP), Beijing

Todos los núcleos atómicos conocidos y, por lo tanto, casi toda la materia visible consisten en protones y neutrones, sin embargo, muchas de las propiedades de estos omnipresentes bloques de construcción naturales siguen sin conocerse. 

Como partícula descargada, el neutrón, en particular, resiste muchos tipos de medición y 90 años después de su descubrimiento todavía quedan muchas preguntas sin respuesta sobre su tamaño y vida útil, entre otras cosas. 

El neutrón consta de tres quarks que giran en su interior, unidos por gluones. 

Los físicos utilizan factores de forma electromagnéticos para describir esta estructura interna dinámica del neutrón. 

Estos factores de forma representan una distribución promedio de carga eléctrica y magnetización dentro del neutrón y se pueden determinar mediante experimentación.

Espacio en blanco en el mapa de factor de forma lleno de datos precisos

“Un solo factor de forma, medido a un cierto nivel de energía, no dice mucho al principio”, explica el profesor Frank Maas, investigador del PRISMA  Cluster of Excellence en Mainz, el Helmholtz Institute Mainz (HIM) y el GSI Helmholtzzentrum. für Schwerionenforschung Darmstadt. 

“Se necesitan mediciones de los factores de forma a diversas energías para sacar conclusiones sobre la estructura del neutrón”, agrega. 

En ciertos rangos de energía, a los que se puede acceder mediante experimentos estándar de dispersión de electrones y protones, los factores de forma se pueden determinar con bastante precisión. 

Sin embargo, hasta ahora este no ha sido el caso con otros rangos para los que se necesitan las llamadas técnicas de aniquilación que implican que la materia y la antimateria se destruyen mutuamente.

En el experimento BESIII que se está llevando a cabo en China, recientemente se ha demostrado que es posible determinar con precisión los datos correspondientes en el rango de energía de 2 a 3,8 gigaelectronvoltios; como se señala en el artículo publicado en la edición actual de Nature Physics por la asociación, esto es más de 60 veces más preciso en comparación con las mediciones anteriores. 

“Con estos nuevos datos, hemos llenado, por así decirlo, un espacio en blanco en el ‘mapa’ del factor de forma de neutrones, que hasta ahora era un territorio desconocido”, señala Frank Maas. “Estos datos son ahora tan precisos como los obtenidos en los correspondientes experimentos de dispersión. Como resultado, nuestro conocimiento de los factores de forma del neutrón cambiará drásticamente y, como tal, obtendremos una imagen mucho más completa de este importante componente de la naturaleza “.

Trabajo verdaderamente pionero en un campo de investigación difícil

Para los avances en completar los campos requeridos del ‘mapa’ de factor de forma, los físicos necesitaban antipartículas. 

Por lo tanto, la asociación internacional utilizó el colisionador de electrones y positrones II de Beijing para sus mediciones. 

Aquí, los electrones y sus antipartículas positivas, los positrones, pueden colisionar en un acelerador y destruirse entre sí, creando nuevos pares de partículas, un proceso conocido como “aniquilación” en física. 

Usando el detector BESIII, los investigadores observaron y analizaron el resultado, en el que los electrones y positrones forman neutrones y antineutrones. 

“Los experimentos de aniquilación como estos no están tan bien establecidos como los experimentos de dispersión estándar”, agrega Frank Maas. “Se necesitaba un trabajo de desarrollo sustancial para llevar a cabo el experimento actual: la intensidad del acelerador debía mejorarse y el método de detección del neutrón esquivo tenía que reinventarse prácticamente en el análisis de los datos experimentales. Esto de ninguna manera fue sencillo. Nuestra asociación ha realizado un trabajo verdaderamente pionero aquí “.

Otros fenómenos interesantes

Como si esto no fuera suficiente, las mediciones mostraron a los físicos que los resultados del factor de forma no producen una pendiente constante en relación con el nivel de energía, sino más bien un patrón oscilante en el que las fluctuaciones se hacen más pequeñas a medida que aumenta el nivel de energía. 

Observaron un comportamiento sorprendente similar en el caso del protón; aquí, sin embargo, las fluctuaciones se reflejaban, es decir, cambiaban de fase. 

“Este nuevo hallazgo indica, ante todo, que los nucleones no tienen una estructura simple”, explica Frank Maas. “Ahora a nuestros colegas del lado teórico se les ha pedido que desarrollen modelos para dar cuenta de este comportamiento extraordinario”.

Finalmente, sobre la base de sus mediciones, la asociación BESIII ha modificado la forma en que debe verse la relación relativa de los factores de forma de neutrones a protones. Hace muchos años, el resultado producido en el experimento FENICE fue una proporción mayor que uno, lo que significa que el neutrón debe tener un factor de forma consistentemente más grande que el protón. “Pero a medida que el protón está cargado, cabría esperar que fuera completamente al revés”, afirma Frank Maas. “Y eso es justo lo que vemos cuando comparamos nuestros datos de neutrones con los datos de protones que hemos adquirido recientemente a través de BESIII. Así que aquí hemos rectificado cómo necesitamos percibir las partículas más pequeñas “.

Del micro al macrocosmos

Según Maas, los nuevos hallazgos son especialmente importantes porque son fundamentales. 

“Proporcionan nuevas perspectivas sobre las propiedades básicas del neutrón. Además, al observar los bloques de construcción más pequeños de la materia, también podemos comprender los fenómenos que ocurren en las dimensiones más grandes, como la fusión de dos estrellas de neutrones. Esta física de los extremos ya es muy fascinante.

Referencia: “Oscillating features in the electromagnetic structure of the neutron” by The BESIII Collaboration, 8 November 2021, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01345-6

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