Los cuarks, los «ladrillos» que constituyen los protones (en color, en la imagen), están sometidos a presiones enormes
Los cuarks, los «ladrillos» que constituyen los protones (en color, en la imagen), están sometidos a presiones enormes - Laboratorio Jefferson/DOE

Logran medir la descomunal fuerza que mantiene unida a la materia

Científicos han hecho la primera medición de una propiedad mecánica en partículas subatómicas: han medido la distribución de presión en el interior de un protón

MADRIDActualizado:

El modelo estándar de la física, el marco teórico usado por los científicos para explicar el comportamiento de la materia, dice que existen cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: la nuclear fuerte, la electromagnética, la nuclear débil y la gravitatoria. La fuerza nuclear fuerte es, como su nombre indica, la más potente. Es capaz de mantener unidos a protones y neutrones, que se encuentran en el núcleo de los átomos, incluso a pesar de que los primeros tienen carga positiva y se repelen entre sí. Se puede decir que la fuerza nuclear fuerte es el pegamento que mantiene unidos los núcleos de los átomos, pero esta fuerza tiene una peculiaridad: su rango de acción es muy pequeño y a mayores escalas es superada por las otras interacciones.

Científicos del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE.UU. han podido adentrarse en la pequeña dimensión de esta interacción. En concreto, han medido la distribución de la presión en el interior de un protón, una magnitud que es dictada por la fuerza nuclear fuerte. También han averiguado que los cuarks, los «ladrillos» que constituyen los protones, están sujetos a presiones 10 veces superiores a las del interior de una estrella de neutrones. Los hallazgos, que han sido publicados en Nature, son relevantes, porque esta es la primera vez en que se ha podido medir una propiedad mecánica en partículas subatómicas.

«Descubrimos una presión extremadamente alta dirigida hacia el exterior desde el centro del protón, y una muy inferior y más extendida dirigida hacia dentro, cerca de la periferia del protón», ha explicado en un comunicado Volker Burkert, coautor del estudio y uno de los directores de la investigación.

Los protones son partículas constituidas por tres cuarks, unidos entre sí por la fuerza nuclear fuerte. Tal como han calculado estos investigadores, están sometidos a una presión inimaginable de 10^35 pascales. En comparación, una atmósfera de presión equivale a 101.325 pascales, es decir, cerca de 10^5 pascales.

Más presión que en las estrellas de neutrones

La presión a la que están sometidos los cuarks es 10 veces superior al lugar del Universo donde se cree que la presión es máxima: el exótico interior de las estrellas de neutrones. Estos objetos, de un diámetro de unos 20 kilómetros y con una masa 1,5 o 2 veces superior a la del Sol, son más densos que los núcleos atómicos y están compuestos principalmente por neutrones. Su interior es un laboratorio de ensueño para los físicos que estudian la materia en condiciones extremas. Allí dentro, por ejemplo, no hay fricción ni resistencia eléctrica, ya que el interior es superconductor y superfluido.

Pero sin necesidad de viajar a las estrellas, la materia que nos rodea esconde en su interior un increíble laboratorio donde investigar el enigmático mundo de las partículas.

El pequeño mundo del protón

«Nuestros resultados arrojan luz sobre la distribución de la fuerza nuclear fuerte dentro del protón», ha dicho Burkert. «Estamos proporcionando una forma de visualizar la magnitud y la distribución de esta fuerza, lo que abre un camino completamente nuevo en la física nuclear y de partículas que podrá ser explorado en el futuro».

¿Cómo se puede medir la densidad de algo tan pequeño como un protón, que tiene un radio cercano a la diez millonésima parte de un nanómetro (8,4×10^-16 metros)? No es una tarea fácil, pero no es imposible. De hecho ya hay instrumentos que alcanzan precisiones de ese orden: aunque su cometido es completamente distinto, el detector de ondas gravitacionales LIGO puede medir cambios de longitud 1.000 veces más pequeños que el diámetro de un protón en un túnel de cuatro kilómetros de largo.

En este caso, los científicos han combinado simulaciones por ordenador, modelos teóricos y resultados obtenidos en un acelerador de partículas (el «Continuous Electron Beam Accelerator Facility», del Laboratorio Jefferson), capaz de producir haces de electrones. Los investigadores dirigieron estos electrones hacia el núcleo de los átomos, de forma que las interacciones electromagnéticas con los cuarks, que liberan fotones, les permitieron obtener información sobre el interior de los protones.

Estos científicos están convencidos de que ahora se puede usar la técnica y la teoría que han empleado para refinar la precisión de los resultados y para averiguar otras propiedades del protón, como fuerzas de corte internas o el radio mecánico de esta partícula.