Bromeando materia extraña de lo ordinario

En un análisis único de datos experimentales, los físicos nucleares han realizado las primeras observaciones de cómo las partículas lambda, llamadas «materia extraña», se producen mediante un proceso específico llamado dispersión inelástica profunda semi-inclusiva (SIDIS). Además, estos datos sugieren que los componentes básicos de los protones, quarks y gluones son capaces de marchar a través del núcleo atómico en pares llamados diquarks, al menos parte del tiempo. Estos resultados provienen de un experimento realizado en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU.

Es un resultado que lleva décadas en desarrollo. El conjunto de datos se recopiló originalmente en 2004. Lamiaa El Fassi, ahora profesora asociada de física en la Universidad Estatal de Mississippi e investigadora principal del trabajo, analizó por primera vez estos datos durante su proyecto de tesis para obtener su título de posgrado en un tema diferente.

Casi una década después de completar su investigación inicial con estos datos, El Fassi revisó el conjunto de datos y dirigió a su grupo a través de un análisis cuidadoso para producir estas mediciones sin precedentes. El conjunto de datos proviene de experimentos en la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos (CEBAF) de Jefferson Lab, una instalación para usuarios del DOE. En el experimento, los físicos nucleares rastrearon lo que sucedió cuando los electrones de CEBAF se dispersaron del núcleo objetivo y sondearon los quarks confinados dentro de los protones y neutrones. Los resultados fueron publicados recientemente en Cartas de revisión física.

«Estos estudios ayudan a construir una historia, análoga a una película, de cómo el quark golpeado se convierte en hadrones. En un nuevo artículo, informamos las primeras observaciones de un estudio de este tipo para el barión lambda en las regiones de fragmentación hacia adelante y hacia atrás, dijo El Fassi.

Adentro como una lambda, afuera como un pion

Al igual que los protones y neutrones más familiares, cada lambda se compone de tres quarks.

A diferencia de los protones y los neutrones, que solo contienen una mezcla de quarks arriba y abajo, las lambdas contienen un quark arriba, un quark abajo y un quark extraño. Los físicos han llamado «materia extraña» a la materia que contiene quarks extraños.

En este trabajo, El Fassi y sus colegas estudiaron cómo se forman estas partículas de materia extraña a partir de colisiones de materia ordinaria. Para hacerlo, dispararon el haz de electrones de CEBAF a diferentes objetivos, incluidos carbono, hierro y plomo. Cuando un electrón de alta energía de CEBAF alcanza uno de estos objetivos, rompe un protón o un neutrón dentro de uno de los núcleos del objetivo.

«Debido a que el protón o el neutrón se rompen por completo, no hay duda de que el electrón interactúa con el quark en el interior», dijo El Fassi.

Después de que el electrón interactúa con un quark o quarks a través de un fotón virtual intercambiado, los quarks «golpeados» comienzan a moverse como una partícula libre en el medio, normalmente uniéndose a otros quarks que encuentra para formar una nueva partícula compuesta. a medida que se propagan a través del núcleo. Y algunas veces, esta partícula compuesta será una lambda.

Pero la lambda es de corta duración: después de la formación, se descompondrá rápidamente en otras dos partículas: un pión y un protón o un neutrón. Para medir las diferentes propiedades de estas partículas lambda creadas brevemente, los físicos deben detectar sus dos partículas hijas, así como el haz de electrones que se dispersó del núcleo objetivo.

El experimento que recopiló estos datos, EG2, utilizó el detector CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) en el Experimental Hall B de Jefferson Lab. Estos resultados publicados recientemente, «Primera medición de electroproducción Λ de núcleos en las regiones de fragmentación actual y objetivo», son parte de la colaboración CLAS, en la que participan casi 200 físicos de todo el mundo.

SIDIS

Este trabajo es el primero en medir la lambda utilizando este proceso, que se conoce como dispersión inelástica profunda semi-inclusiva, en las regiones de fragmentación hacia adelante y hacia atrás. Es más difícil usar este método para estudiar partículas lambda, porque la partícula se descompone tan rápido que no se puede medir directamente.

«Esta clase de medición solo se ha realizado antes en protones, y en partículas más ligeras y estables», dijo el coautor William Brooks, profesor de física en la Universidad Técnica Federico Santa María y co-portavoz del experimento EG2.

El análisis fue tan desafiante que El Fassi y su grupo tardaron varios años en volver a analizar los datos y extraer estos resultados. Fue su asesor de tesis, Kawtar Hafidi, quien la animó a continuar con la investigación de la lambda a partir de estos conjuntos de datos.

«Me gustaría elogiar el arduo trabajo y la perseverancia de Lamiaa al dedicar años de su carrera a trabajar en esto», dijo Hafidi, director asociado del laboratorio de ciencias físicas e ingeniería en Argonne National Lab y co-portavoz del experimento EG2. «Sin ella, este trabajo no se habría visto fructífero».

«No ha sido fácil», dijo El Fassi. «Es un proceso largo y lento, pero valió la pena el esfuerzo. Cuando pasas tantos años trabajando en algo, se siente bien verlo publicado».

El Fassi comenzó este análisis lambda cuando ella misma era estudiante de postdoctorado, un par de años antes de convertirse en profesora asistente en la Universidad Estatal de Mississippi. En el camino, varios de sus propios posdoctorados en el estado de Mississippi han ayudado a extraer estos resultados, incluida la coautora Taya Chetry.

«Estoy muy feliz y motivado de ver que se publica este trabajo», dijo Chetry, quien ahora es investigador posdoctoral en la Universidad Internacional de Florida.

Dos por uno

Un hallazgo notable de este análisis intensivo cambia la forma en que los físicos entienden cómo se forman las lambdas a raíz de las colisiones de partículas.

En estudios similares que han utilizado dispersión inelástica profunda semi-inclusiva para estudiar otras partículas, las partículas de interés generalmente se forman después de que un solo quark fue «golpeado» por el fotón virtual intercambiado entre el haz de electrones y el núcleo objetivo. Pero la señal dejada por lambda en el detector CLAS sugiere un trato más completo.

El análisis de los autores mostró que al formar una lambda, el fotón virtual ha sido absorbido parte del tiempo por un par de quarks, conocidos como diquark, en lugar de uno solo. Después de ser «golpeado», este diquark pasó a encontrar un quark extraño y forma una lambda.

«Este emparejamiento de quarks sugiere un mecanismo diferente de producción e interacción que el caso de la interacción de un solo quark», dijo Hafidi.

Una mejor comprensión de cómo se forman las diferentes partículas ayuda a los físicos en su esfuerzo por descifrar la interacción fuerte, la fuerza fundamental que mantiene unidas a estas partículas que contienen quarks. La dinámica de esta interacción es muy complicada, al igual que la teoría utilizada para describirla: la cromodinámica cuántica (QCD).

La comparación de medidas con modelos de predicciones de QCD permite a los físicos probar esta teoría. Debido a que el hallazgo del diquark difiere de las predicciones actuales del modelo, sugiere que algo en el modelo está mal.

«Hay un ingrediente desconocido que no entendemos. Esto es extremadamente sorprendente, ya que la teoría existente puede describir esencialmente todas las demás observaciones, pero no esta», dijo Brooks. «Eso significa que hay algo nuevo que aprender y, por el momento, no tenemos idea de qué podría ser».

Para averiguarlo, necesitarán aún más medidas.

Los datos para EG2 se recopilaron con haces de electrones de 5,014 GeV (mil millones de electronvoltios) en la era de 6 GeV de CEBAF. Los experimentos futuros utilizarán haces de electrones del CEBAF actualizado, que ahora se extiende hasta 11 GeV para la Sala B experimental, así como un detector CLAS actualizado conocido como CLAS12, para continuar estudiando la formación de una variedad de partículas, incluidas las lambdas, con mayor -electrones de energía.

El próximo Colisionador de iones de electrones (EIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE también brindará una nueva oportunidad para continuar estudiando esta extraña estructura de emparejamiento de quarks y materia del nucleón con mayor precisión.

«Estos resultados sientan las bases para los próximos estudios en el próximo CLAS12 y los experimentos EIC planificados, donde se puede investigar la dispersión de diquarks con mayor detalle», dijo Chetry.

El Fassi también es co-portavoz de las mediciones CLAS12 de propagación de quarks y formación de hadrones. Cuando los datos de los nuevos experimentos estén finalmente listos, los físicos los compararán con las predicciones de QCD para refinar aún más esta teoría.

«Cualquier medición nueva que brinde información novedosa para comprender la dinámica de las interacciones fuertes es muy importante», dijo.