En 1983 se descubrió que la estructura interna de un nucleón -un protón o un neutrón- depende de su entorno1. Es decir, la estructura de un nucleón en el espacio vacío es diferente de su estructura cuando está incrustado dentro de un núcleo atómico. Sin embargo, a pesar de los vigorosos trabajos teóricos y experimentales, la causa de esta modificación ha permanecido desconocida. En un artículo publicado en Nature, la Colaboración CLAS2 presenta pruebas que arrojan luz sobre esta antigua cuestión.
La llegada de la física nuclear se remonta a los días de Ernest Rutherford, cuyos experimentos a principios del siglo XX sobre la dispersión de partículas α (núcleos de helio) por la materia revelaron un núcleo compacto y denso en el centro de los átomos3. Desde entonces, los físicos han trabajado para comprender la estructura del núcleo atómico y la dinámica de sus componentes. Del mismo modo, desde la revelación a finales de la década de 1960 de que los propios nucleones tienen constituyentes internos denominados quarks4,5, se ha realizado un amplio trabajo centrado en el estudio de esta estructura subyacente más profunda.
Durante décadas, se pensó en general que los nucleones de los núcleos eran estructuralmente independientes entre sí y que estaban esencialmente influidos por el campo nuclear medio producido por sus interacciones mutuas. Sin embargo, una cuestión persistente era si los nucleones se modificaban cuando estaban dentro de un núcleo, es decir, si su estructura era diferente a la de un nucleón libre. En 1983, un sorprendente descubrimiento realizado por la Colaboración Europea de Muones (EMC) en el laboratorio de física de partículas CERN, cerca de Ginebra, Suiza, aportó pruebas de dicha modificación de los nucleones1. La modificación, conocida como efecto EMC, se manifestó como una variación en la distribución del momento de los quarks dentro de los nucleones incrustados en los núcleos. Este resultado fue verificado por experimentos posteriores en el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC en Menlo Park, California6,7, y en la Instalación Nacional de Aceleración Thomas Jefferson (Jefferson Lab) en Newport News, Virginia8.
Aunque la existencia del efecto EMC está ahora firmemente establecida, su causa ha sido esquiva. El pensamiento actual ofrece dos posibles explicaciones. La primera es que todos los nucleones de un núcleo se modifican en cierta medida debido al campo nuclear medio. La segunda es que la mayoría de los nucleones no se modifican, sino que algunos específicos se alteran sustancialmente al interactuar en lo que se denomina pares correlacionados de corto alcance (SRC) durante breves períodos de tiempo (Fig. 1). El presente trabajo aporta pruebas definitivas a favor de la segunda explicación.
Figura 1 | Protones y neutrones modificados en los núcleos. a, Los nucleones -neutrones y protones- están compuestos por partículas elementales llamadas quarks. Los neutrones contienen un quark «up» y dos quarks «down», mientras que los protones contienen dos quarks «up» y un quark «down». b, En los núcleos atómicos, los nucleones pueden interactuar brevemente en lo que se conoce como pares correlacionados de corto alcance (SRC). La Colaboración CLAS2 informa de que estas interacciones alteran la estructura interna de los nucleones dentro del núcleo.
El efecto EMC se mide en experimentos en los que los electrones se dispersan desde un sistema de partículas, como un núcleo o un nucleón. Las energías de los electrones se seleccionan de manera que las ondas mecánicas cuánticas asociadas a los electrones tengan una longitud de onda que coincida con las dimensiones del sistema de interés. Para estudiar el interior de un núcleo, se necesitan energías de 1-2 GeV (mil millones de electronvoltios). Para sondear la estructura de un sistema más pequeño, como un nucleón, se necesitan energías más altas (longitudes de onda más pequeñas), en un proceso llamado dispersión inelástica profunda (DIS). Este proceso fue fundamental para el descubrimiento de la subestructura de quarks de los nucleones4,5, que dio lugar al Premio Nobel de Física de 19909.
En los experimentos de DIS, la velocidad a la que se produce la dispersión se describe mediante una cantidad denominada sección transversal de dispersión. La magnitud del efecto EMC se determina trazando la relación de la sección transversal por nucleón para un núcleo dado con la del isótopo de hidrógeno deuterio en función del momento del quark que es golpeado por el electrón. Si no hubiera ninguna modificación de los nucleones, esta relación tendría un valor constante de 1. El hecho de que esta relación disminuya en función del momento para un núcleo determinado indica que los nucleones individuales del núcleo se modifican de alguna manera. Además, el hecho de que esta disminución se produzca más rápidamente si la masa del núcleo aumenta sugiere que el efecto EMC es mayor para los núcleos más pesados.
La Colaboración CLAS ha utilizado datos de dispersión de electrones tomados en el Laboratorio Jefferson para establecer una relación entre el tamaño del efecto EMC y el número de pares neutrón-protón SRC en un núcleo dado. Una característica clave del trabajo es la extracción de una función matemática que incluye el efecto de los pares SRC en la sección transversal de dispersión y que se muestra independiente del núcleo. Esta universalidad proporciona una fuerte confirmación de la correlación entre el efecto EMC y los pares SRC neutrón-protón. Los resultados indican que la modificación de los nucleones es un efecto dinámico que surge de las variaciones locales de la densidad, en lugar de ser una propiedad estática del medio en el que todos los nucleones son modificados por el campo nuclear medio.
Los autores se han centrado en los pares SRC neutrón-protón por una razón particular: resulta que estos pares son más comunes que sus homólogos neutrón-neutrón o protón-protón. En este sentido, los nucleones son isofóbicos; es decir, es menos probable que los nucleones similares se emparejen que los disímiles. Por lo tanto, debido a la asimetría en el número de neutrones y protones en los núcleos de masa media y pesada, la probabilidad de que los protones formen pares SRC neutrón-protón aumenta aproximadamente como la relación entre neutrones y protones, mientras que la probabilidad de que los neutrones lo hagan tiende a estabilizarse10. La Colaboración CLAS ha utilizado esta característica específica para solidificar sus conclusiones demostrando una clara diferencia entre los efectos EMC por protón y por neutrón para los núcleos asimétricos más pesados que el carbono. El hecho de que esta distinción surja directamente de los datos proporciona un apoyo adicional a la interpretación de los autores de que la modificación del nucleón surge de la formación de pares SRC.
Una consecuencia del presente estudio es que la información deducida sobre los neutrones libres a partir de los experimentos DIS con deuterio o con núcleos más pesados debe corregirse por el efecto EMC para dar cuenta de la modificación de los neutrones en el medio nuclear. Otra consecuencia se refiere a los experimentos actuales y futuros en los que los neutrinos o sus antipartículas (antineutrinos) se dispersan desde núcleos asimétricos. Dado que los protones y los neutrones tienen diferentes composiciones de quarks, y que los protones se ven más afectados por la modificación en el medio que los neutrones, las secciones transversales de dispersión de neutrinos y antineutrinos pueden mostrar variaciones que podrían atribuirse erróneamente a un efecto de alguna física exótica -como deficiencias en el modelo estándar de la física de partículas, o posibles mecanismos para entender la asimetría entre materia y antimateria en el Universo. Antes de poder hacer cualquier afirmación de este tipo, habría que tener en cuenta las diferencias en el efecto EMC para protones y neutrones.