Miden por primera vez el valor exacto de la “carga débil” del protón

Científicos del Jefferson Lab en Virginia han medido con precisión una propiedad importante e innata del protón, por primera vez.

La propiedad del protón, llamada su “carga débil”, determina con qué fuerza interactúa esta partícula subatómica con una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física.

Podría orientar a los físicos hacia formas de resolver algunos de los misterios más grandes que quedan en la ciencia.

“La carga débil del protón es casi cero”, por lo que es realmente difícil de medir, le dijo a Gizmodo Allena Opper, directora del programa de física nuclear en la Fundación Nacional de Ciencia.

“Esta es una de las primeras veces que tuvimos la tecnología para hacerlo”.

Opper fue investigadora en el proyecto financiado por NSF, llamado el experimento Qweak, pero no lo dirige en su calidad de director del programa.

El valor que midieron fue 0.0719, más o menos 0.0045, según el artículo publicado en Nature.

Pero probablemente esté más interesado en lo que realmente es la carga débil.

Hay cuatro fuerzas conocidas que gobiernan cómo se comportarán dos objetos cuando se encuentran: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.

La materia tiene propiedades innatas que determinan qué tan fuerte se siente cada fuerza.

Tomemos la gravedad: cuanto más cosas masivas tenga, más fuerte será la atracción gravitatoria entre ellas.

Cuanta más carga eléctrica tengan las cosas, más fuertes se empujarán entre sí a través del electromagnetismo.

Mientras más débil sea la carga de las cosas, más fuertes podrán interactuar a través de la fuerza débil, si son lo suficientemente pequeñas y se acercan lo suficiente.

La medición de la minúscula fuerza débil del protón requirió que los investigadores crearan un experimento que pudiera detectarla.

Qweak golpea protones con electrones acelerados.

Estos electrones tienen otra propiedad innata, llamada espín, que podría alinearse con o contra la dirección en la que están viajando.

La fuerza electromagnética se comportará de la misma manera, pero la interacción de la fuerza débil será ligeramente diferente en función de cómo viaje el electrón.

Los experimentadores calcularon la carga débil de los protones midiendo la diferencia.

Esta no es la primera medición de la carga débil del protón, ya que los científicos que trabajan en Qweak realizaron una medición limitada en 2013, le dijo Greg Smith de Jefferson Lab a Gizmodo.

Pero eso fue esencialmente una ejecución preliminar con el 4 por ciento de los datos.

Entonces, ¿de qué sirve la carga débil? Es una prueba importante de la física fundamental.
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El estado actual de la física de partículas es una especie de cueva parcialmente explorada con regiones oscuras.

Creemos que entendemos la estructura de la cueva, pero podría haber cámaras completamente nuevas escondidas en las sombras.

Después de todo, los cálculos sugieren que el Modelo Estándar solo describe el 4 por ciento de toda la masa y energía del universo, con la misteriosa materia oscura y la energía oscura ocupando el resto.

Eso significa que el sistema de cuevas podría ser mucho más grande de lo que los físicos piensan.

Estos experimentos ofrecen mediciones fundamentales para comparar con las predicciones teóricas.

Si las cosas son diferentes, eso podría iluminar una nueva parte de la cueva.

Esta nueva medición era básicamente lo que las predicciones decían que debería ser.

“Es muy consistente con la teoría”, dijo Maxim Perelstein, un físico teórico de Cornell que no participó en el estudio.

“Cuantas más mediciones tengamos que sean precisas y acordes, mejores serán las limitaciones que podamos poner en las teorías que amplíen el Modelo Estándar”.

Es como si estuviera explorando la cueva y encuentra una pared donde pensaba que podría haber un túnel.

Por ejemplo, “para un tipo muy popular de modelo de materia oscura, hay un ‘fotón oscuro’ que puede mediar la interacción entre la materia oscura y las partículas del Modelo Estándar”, Mu-Chun Chen, profesor de física y astronomía en la Universidad de California, Irvine, le dijo a Gizmodo.

“De Qweak, uno puede colocar un límite en la masa del fotón oscuro”.

Estos resultados también ofrecieron a los físicos otra oportunidad de medir el “ángulo de mezcla débil”.

A energías suficientemente altas, la fuerza débil y el electromagnetismo se combinan en una fuerza combinada “electrodébil”.

El ángulo de mezcla débil es un número importante que relaciona estas dos fuerzas una vez que se separan, y Qweak ofreció algunas de las medidas más precisas de este valor hasta el momento.

Estos valores pueden ser precisos, pero los físicos continuarán refinando sus mediciones con la esperanza de encontrar lugares donde los experimentos y las teorías difieran.

A Chen le gustaría ver que este resultado se aplique a otras teorías y ver si se podrían utilizar otras ideas potenciales que tienen los físicos.

Además de eso, dijo, el experimento “es un enfoque complementario muy importante para las búsquedas directas de nueva física como el Gran Colisionador de Hadrones”.

Como le dijo Opper a Gizmodo, “si vas a buscar nueva física directamente, necesitas un acelerador de súper alta energía”.

Aquí, somos sensibles a los efectos de esas partículas, que es una manera realmente inteligente de buscar cosas más allá del Modelo Estándar en lugar de crearlas”.

Fuente: Gizmodo