Així és com es veu un protó

Clic per engrandir. És difícil obtenir una imatge de l'estructura de la matèria. Els investigadors de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT, Units Units), però, han acceptat el repte. Ofereixen una animació que ens ajuda amb l'estructura del protó.Crèdit: Equip "Visualizing the Proton", MIT, Jefferson Lab.

Com és un protó? Com una bola de billar, però molt petita. Segur. O és clar que no! Perquè al llarg de les dècades, la física ens ha ensenyat que les coses són una mica més complicades que això. Tant és així que s'ha fet difícil imaginar-los. Però els investigadors s'han unit amb artistes per acceptar el repte. Aquí teniu el resultat.

L'àtom és un element fonamental de la nostra realitat, però realment el coneixeu tan bé?

La cadira on esteu asseguts ara mateix. L'ordinador on llegiu aquest tema. I fins i tot l'ocell que escoltes cantant per la finestra oberta. La matèria que ens envolta està feta d'àtoms. Partícules diminutes invisibles per als nostres ulls. Partícules diminutes elles mateixes formades per electrons, de neutrons i protons. Partícules encara més petites. Encara més invisible.

Invisible, però encara molt real. Aleshores, us heu preguntat mai com són aquestes petites partícules? Com petits sistemes solars fet d'electrons que graviten al voltant d'un nucli format per neutrons i protons. Aquesta és la imatge que fa temps que es proposa. Però el físics d'avui saben que no és just així. I com que hem de començar per algun lloc, investigadors del Massachusetts Institute of Technology (MIT, Estats Units) ens conviden a descobrir quin és el protó, una partícula no més gran que un femtòmetre, és a dir, de 10^-15 metres. I atenció al espòiler, no és la bola de billar perfecta que tradicionalment encara ens presenten a l'escola.

Per ser sincers, els investigadors del MIT ja fa gairebé vint anys que hi pensen. Que reflexionin sobre la millor manera de donar-nos una imatge precisa del que és un protó. La idea de fer-ne un simple retrat robot es va descartar ràpidament. Perquè el món de la física de partícules és d'alguna manera... viva! Està evolucionant. Està en moviment. Es creen partícules. Altres desapareixen. Alguns es transformen. I només una animació podria fer palpable aquesta realitat.

Però els físics del MIT realment volien anar més enllà de tot el que es coneixia. De tot el que ja s'havia presentat fins ara. Es van plantejar un autèntic repte: col·laborar amb artistes. Proporcionar una animació que sigui científicament precisa i visualment atractiva. Preneu decisions atrevides que ajudin a "la gent a marxar amb una millor comprensió del seu rendiment i de la física en general".

Clic per engrandir. Aquesta representació del protó -tres boles subjectes en una mena de bola de billar més gran per molles- ens ajuda a entendre la seva estructura: dos quarks up (u) i un quark down (d) units per gluons. Però de cap manera mostra què està passant realment al món quàntic. Crèdit: Dmitry Kovalchuk, Adobe Stock 

El protó, una partícula en última instància no tan esquiva

Abans d'anar més lluny, recordeu que els investigadors han establert que el protó no és una partícula elemental. Està format per tres quarks: dos anomenats quarks up ("amunt" en català) i un anomenat quark down (avall en català). I aquesta força és la que els físics anomenen forta interacció que els uneix. Mitjançant l'intercanvi de gluons. Aquesta interacció és tan poderosa que mai abans s'havien observat quarks i gluons per separat.

Els artistes que van treballar amb els equips del MIT van representar així els quarks com a punts de llum. Punts de llum en moviment el color dels quals canvia constantment, canviant de vermell a verd i blau per representar les càrregues de color que apareixen entre els quarks i els gluons sotmesos a la interacció forta. Perquè segons la teoria quàntica, tots els sistemes de quarks i gluons porten la mateixa quantitat d'aquests tres colors. Tot i que en realitat no són de color blau, vermell o verd.

Aquest animació "Visualitzant el protó" dóna una idea de què és realment aquest constituent dels nuclis atòmics. Crèdit: Equip "Visualizing the Proton", MIT, Jefferson Lab

Els experiments realitzats amb acceleradors de partícules cada cop més eficients també han demostrat als físics que, al cor del protó, generalment són els gluons els que marquen la llei. Però en algunes regions, els quarks prenen el relleu. En pocs anys, un nou instrument, el 'Superconducting Super Collider" (Estats Units), hauria de permetre concretar què passa als límits d'aquestes regions. Però ja, l'equip que va ajudar els investigadors del MIT a produir una representació fidel del protó ha aconseguit construir una animació que tingui en compte la seva estructura canviant. Una estructura dominada pels gluons que se separen i es recombinen constantment quan el "temps d'exposició" -que es correspon una mica a la fracció del moment del protó transportat per un quark o un gluó- és baix. Quan el "temps d'exposició" augmenta, és el procés de creació per part d'un gluó d'un quark i el seu antiquark el que es mostra. Finalment, amb un "temps d'exposició" elevat , apareixen els tres quarks que formen el protó.

Millor que això, els investigadors van aconseguir posar en imatge allò que s'observa quan un s'endintra al cor del protó. En augmentar la resolució espacial. Quan apareixen detalls i un efecte relativista fa que el protó perdi la seva forma de bola i el converteixi en un disc. Durant un temps d'exposició baix, apareix un nombre creixent de gluons. Per a un temps d'exposició elevat, és una estructura bastant tosca, però igualment definida i que inclou tres quarks, que esdevé més marcada.

Els investigadors ara tenen previst treballar en el desenvolupament d'una versió en 3D d'aquesta visualització del protó. Abans de proposar, més tard, una animació del nucli atòmic. I francament, qui no somia seguir-los al meravellós món de la física de l'infinitament petit?.

Ho he vist aquí.