Descubren una estructura oculta de gluones en protones que podría cambiar los libros de texto

Un grupo de físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven realizó un descubrimiento que podría transformar el entendimiento actual sobre la estructura de los protones. Según datos obtenidos del colisionador de iones pesados relativistas (RHIC), el número bariónico no solo sería transportado por los tres quarks que componen el protón, sino también por una conexión en forma de Y formada por gluones.

Este hallazgo, publicado en la revista Science, desafía la visión tradicional de que el número bariónico es exclusivamente atribuido a los quarks. El profesor Zhangbu Xu, de la Universidad Estatal de Kent y colaborador del Laboratorio Brookhaven, explicó: "Históricamente, se pensó que cada uno de los tres quarks 'valencia' dentro de un protón llevaba un tercio del número bariónico".

La idea de uniones de gluones, o "uniones bariónicas", fue inicialmente propuesta en los años 70 para describir cómo los gluones conectan los quarks en un protón. En 1996, Dmitri Kharzeev, un físico teórico del Laboratorio Brookhaven, sugirió que esta unión podría ser responsable del número bariónico, en lugar de los quarks por sí solos.

Los datos de colisiones en el RHIC permitieron a los investigadores probar esta teoría. Xu comentó: "Nuestros resultados sugieren que el número bariónico no es simplemente llevado por quarks individuales, sino que es transportado de manera más favorable por gluones, cuando se encuentran en esta configuración especial".

Comprender qué lleva realmente el número bariónico tiene implicaciones más allá de la estructura interna de los protones. En las colisiones del RHIC, la conservación del número bariónico implica que el total de baryones, como protones y neutrones, debe permanecer constante antes y después de la colisión. Este principio de conservación también se aplica a escalas universales.

La física Nicole Lewis, del equipo STAR, destacó que desde el Big Bang, la cantidad total de protones y neutrones ha permanecido inalterada en el tiempo, lo que plantea interrogantes sobre la razón detrás de esta conservación y su relación con el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo.

El descubrimiento de que los gluones podrían ser responsables del número bariónico complica la descripción simplificada que se encuentra en muchos libros de texto, donde se dice que un protón tiene un número bariónico de +1, distribuido equitativamente entre sus tres quarks. Sin embargo, los protones son mucho más complejos, ya que incluyen gluones y quarks que emergen del vacío.

La teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) ha sido fundamental para explicar la fuerza fuerte entre quarks y gluones, aunque a menudo necesita suposiciones adicionales para explicar ciertos patrones observados en las colisiones del RHIC.

Un aspecto que llamó la atención del equipo STAR fue la producción de un número inesperado de baryones en las colisiones, en particular, la aparición de más baryones que antibaryones. Tsang explicó que en el detector STAR se observó un exceso de baryones emergiendo perpendiculares a la dirección de las colisiones, lo que sugiere que podría haber una explicación alternativa a la distribución del número bariónico.

Los investigadores compararon el número bariónico medido en diferentes colisiones con la redistribución de la carga eléctrica en esos eventos. Este análisis reveló una discrepancia notable, lo que llevó a la conclusión de que los gluones podrían ser los responsables del exceso de número bariónico observado.

Los hallazgos del equipo STAR sugieren que la estructura de gluones que conecta los quarks podría ser clave en el transporte del número bariónico durante colisiones energéticas. "Nuestro estudio desafía la idea de que el número bariónico se divide simplemente entre los tres quarks", concluyó Rongrong Ma, otro miembro del equipo. "Esta nueva comprensión redefine cómo pensamos sobre la estructura de la materia y profundiza nuestro conocimiento sobre el elemento más fundamental responsable de la forma actual del universo".

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