Se obtiene una nueva pista sobre el espín del protón.

 

En mecánica clásica, un objeto rígido tiene dos tipos de momento angular: su momento angular orbital, asociado al movimiento del centro de masa, y uno asociado al giro de la partícula al rededor de un eje sobre el centro de masa, el espín. En mecánica cuántica, las partículas muestran un espín. Pero hay un detalle, el electrón es, hasta donde sabemos, una partícula sin estructura interna y aún así tiene un espín. Esto quiere decir que el espín es una propiedad intrínseca de las partículas, como la masa o la carga eléctrica.

El espín de las partículas siempre viene en múltiplos enteros de $$\frac\hbar2$$, el electrón tiene espín $$\frac\hbar2$$ y el fotón espín $$\hbar$$ (se suele decir espín 1/2 y 1 respectivamente). El protón tiene espín 1/2, pero esta es una partícula con estructura interna. Así que su espín será resultado de las partículas que lo conforman. 

 

El espín del protón
Los protones, además de la masa y la carga eléctrica, tienen otra propiedad intrínseca llamada espín. De donde viene este espín es un misterio. En un principio, los físicos creían que el espín del protón es la suma de los espines de los tres quarks que lo constituyen. Pero en 1987 un experimento mostró que los quarks contribuyen muy poco al espín del protón. Unos estudios realizados en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC por sus siglas en inglés) dieron sustento a la idea de que los gluones, las partículas que unen a los quarks, contribuyen al espín del protón.

Los quarks, al igual que el protón, tienen espín 1/2. Los físicos asumían que dos de los tres quarks siempre apuntaban en direcciones opuestas, cancelandose y dejando al quark restante como el espín total del protón. Mediciones posteriores mostraron que realmente la contribución de los quarks es de el 25 porciento del espín total del protón.

Los gluones son los mediadores de la interacción fuerte y están presentes dentro de los protones manteniendo juntos a los quarks. Cada gluon tiene un espín de 1, la clave para que puedan sumar la contribución faltante del espín del protón está en su orientación. RHIC es el único experimento que nos puede responder a esto, pues es el único acelerador de partículas construido para colisiones con "`espín polarizado"'.

Cuando dos protones chocan, su interacción es gobernada por la fuerza fuerte, así que los gluones están estrechamente relacionados. Si el espín de los gluones es relevante en la contribución al espín del protón, la orientación del espín de los protones al chocar debería afectar la salida. De hecho, se espera que colisones con espín alineado ocurran con una frecuencia distinta a las colisiones con espín opuesto, y de acuerdo a nuevos datos de RHIC, existe una diferencia. En palabras del físico Juano Rojo de la universidad de Oxford, "si no hay una posición preferencial, la diferencia será exactamente cero", "dado que la asimetría no es exactamente cero, esto nos dice que la distribución del espín no es trivial". Los cálculos realizados por el equipo de Rojo arrojan que probablemente los gluones contribuyan con la mitad con la que lo hacen los quarks al protón.

Si el espín del gluon no completa el espín faltante del protón, el resto podría venir del momento angular orbital de los quarks y los gluones dentro del protón. La pregunta es con que porción del espín total contribuyen cada uno de estos elementos constituyentes.

El resolver el problema del espín del protón también ayudaría a comprender como el protón y otras partículas obtienen masa. Se suele decir que el bosón de Higgs es el responsable de conferirle masa a las partículas, pero esto no es toda la historia. Además del mecanismo de Higgs, existe otro proceso que le da masa al protón llamado confinamiento. Este es el causante de que los quarks y los gluones no se puedan apreciar libres sino confinadas dentro de otras partículas. La dinámica del confinamiento también afecta la polarización del espín y los gluones. Como dice Rojo, "Cuanto mejor comprendamos la distribución de polarización de los quarks y los gluones, más nos acercaremos a la comprensión del confinamiento. Con nuestros datos tenemos el mecanismo subyacente para el confinamiento y, en última instancia, de dónde proviene la masa de los protones."

 

Fuente: Proton Spin Mistery Gains a New Clue