Los físicos de neutrones están sorprendidos: la fluctuación de las características electromagnéticas no encaja con los modelos teóricos.

Una oscilación desconcertante: los físicos volvieron a medir las propiedades de un neutrón y notaron cosas sorprendentes. Porque los factores de forma electromagnéticos de la unidad base no cambian uniformemente con el aumento de potencia, sino que fluctúan periódicamente. Esta oscilación, que ya se ha observado en el protón, no se puede explicar teóricamente, explicó el equipo en Nature Physics. Sin embargo, sí indica la estructura interna de un neutrón que es más dinámica y compleja de lo esperado.

Los protones y neutrones, cada uno formado por tres quarks, son los componentes básicos de la materia; juntos forman el núcleo atómico. Pero a pesar de esta importancia básica, los ingredientes básicos todavía existen. rompecabezas empleo. Incluso con funciones básicas como esperanza de vidaY Talla Y estructura interna Hay grandes dudas. Además, los físicos observan repetidamente fenómenos que no corresponden a modelos teóricos.

El secreto del factor de forma

Los físicos de la Colaboración BESIII han logrado una nueva visión de las propiedades de los neutrones. El objetivo del experimento era determinar con mayor precisión los llamados factores de forma electromagnéticos de los neutrones. Describen la distribución media de la carga eléctrica y magnética dentro de un neutrón y, por lo tanto, proporcionan pistas sobre el comportamiento y la disposición de los tres quarks conectados a través de gluones en su interior.

“El factor de forma único, medido a una energía dada, no dice mucho al principio”, explica Frank Maas del Helmholtz Institute Mainz (HIM). “Sólo conocer los factores de forma a diferentes energías permite sacar conclusiones sobre la estructura del neutrón”. Dado que no hubo mediciones en el rango de energía de 2 a 3,8 gigaelectronvoltios, el equipo ahora ha cerrado esta brecha con experimentos de aniquilación.

Para ello, los físicos examinaron las propiedades de los neutrones y antineutrones creados cuando los electrones y los positrones chocan en el acelerador de partículas BESIII en China. “Hablando metafóricamente, llenamos una región vacía en el mapa de factor de forma de neutrones con nuevos datos”, dice Maas.

La oscilación es inconsistente con los patrones.

Los análisis proporcionaron varios hallazgos nuevos. Uno de ellos: dependiendo de la energía, el factor de forma del neutrón no produce una línea suave, sino un patrón oscilante. A medida que aumenta la potencia, las desviaciones se vuelven cada vez más pequeñas. Este comportamiento repentino representa una clara desviación del comportamiento esperado, explican los físicos. Sin embargo, esta oscilación también se ha observado recientemente en el protón.

“Ahora también estamos observando un comportamiento idéntico a una frecuencia similar en el neutrón, pero con un gran cambio de fase”, escribieron los científicos. “Estos resultados indican que aún no se comprende una dinámica intrínseca en los nucleones responsables de estas oscilaciones aproximadamente ortogonales”. En otras palabras: algo está sucediendo dentro de los componentes centrales que los modelos actuales aún no han captado.

“Ahora, en teoría, se les pide a nuestros colegas que desarrollen modelos para este comportamiento extraordinario”, dice Maas.

Desviación anterior refutada

Sin embargo, las nuevas mediciones también revelan que la discrepancia en las mediciones anteriores no parece existir después de todo. Los investigadores demostraron un acoplamiento más fuerte con los fotones virtuales de un neutrón que de un protón, por lo que un neutrón debe exhibir constantemente un factor de forma mayor que un protón. Pero esto contradice las teorías básicas: “Dado que el protón está cargado, uno esperaría que fuera exactamente lo contrario”, dice Maas.

Los datos del experimento BESIII ahora refutan el hallazgo anterior: “Nuestro resultado muestra que la interacción fotón-protón es más fuerte que la correspondiente interacción fotón-neutrón, como predice la mayoría de los modelos teóricos”, escribió el equipo. “Esto aclara un acertijo de más de 20 años sobre esta interacción”.

También importante para la astrofísica

Por lo tanto, los nuevos datos de medición ayudan a resolver al menos algunos de los acertijos sobre estos componentes básicos de la materia. Incluso si muchas de las propiedades fundamentales del neutrón y el protón no se comprenden completamente, al menos proporcionan nuevos puntos de partida para la investigación de sus componentes básicos y su comportamiento.

Estos hallazgos no solo benefician la investigación de la física de partículas y materiales, sino que también pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre la astrofísica: “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 neutrones estrellas. “Mas dice: Esta física de los extremos es genial”. (Nature Physics, 2021; doi: 10.1038 / s41567-021-01345-6)

Fuente: Universidad de Mainz

10. de noviembre de 2021

– Nadia Podebrigar