La colaboración CLAS confirma la transparencia de color en QCD

La Cromodinámica Cuántica (QCD) es la teoría de la interacción fuerte que explica cómo se unen entre sí los quarks en el protón y el neutrón, y éstos a su vez dentro del núcleo atómico. Muchas predicciones de la QCD aún no han sido confirmadas por los experimentos. Ya había indicios sobre la transparencia de color, pero ahora es noticia que han sido ratificados por la Colaboración CLAS (Jefferson Labs). Este fenómeno arfirma que la materia nuclear se vuelve transparente al ser atravesada por objetos pequeños formados por quarks y gluones (en un estado singlete), es decir,  la interacción entre un hadrón y un nucleón se reduce a cero conforme el momento del hadrón crece. Los resultados sobre la transparencia de color obtenidos por la Colaboración CLAS corresponden a las colisiones de electrones de alta energía (5 GeV) con núcleos de Carbono-12 e Hierro-56 que producen mesones ρº. El cociente entre el número de mesones ρº producidos en la colisión con estos núcleos pesados comparado con el producido en la colisión con núcleos de deuterio (para los que no se da el fenómeno de la transparencia de color) confirma los resultados esperados según los modelos teóricos, incluyendo la independencia respecto a la energía de este esquivo fenómeno. Gracias a la transparencia de color se podrán estudiar los efectos de la QCD en los núcleos atómicos y determinar la duración del proceso de hadronización, que no es instantáneo y requiere la formación de un prehadrón antes del hadrón. El artículo técnico es L. El Fassi et al. (CLAS Collaboration), “Evidence for the Onset of Color Transparency in $ρ^0$ Electroproduction off Nuclei,” arXiv:1201.2735, Subm. 11 May 2012.

Transparencia del color es un fenómeno que parecía imposible antes del descubrimiento de la teoría QCD. La interacción entre un protón y un nucleón (protón o neutrón) tiene una sección eficaz de unos 30-35 mb (milibarn) en la región de energías entre 2 y 30 GeV (gigaelectrónvoltio), por tanto, el camino libre medio de un protón dentro de un núcleo es inferior a 2 fm (fermi o femtómetros, 10-15 metros), lo que significa que sería imposible que un protón lograra atravesar un núcleo. Sin embargo, la QCD predice que bajo ciertas circunstancias, se puede preparar un protón en un estado que le permita atravesar muchos fermis de materia nuclear; para estos estados es como si la interacción fuerte (QCD) se pudiera “apagar” y la materia nuclear se volviera transparente.

Los hadrones están hechos de quarks y gluones (llamados colectivamente partones), por lo que fluctúan entre diferentes configuraciones de sus constituyentes. La clave de la transparencia de color son las fluctuaciones cuánticas “coherentes” de los partones que presentan interferencia destructiva, que apantalla el hadrón ante el campo de interacción fuerte que le rodea. Salvando las diferencias, este fenómeno es similar al apantallamiento del potencial de Coulomb generado por el núcleo de un átomo debido a la presencia de la nube de electrones; como resultado de este apantallamiento, el átomo actúa como si fuera neutro reduciendo su interacción con otros objetos cargados de su entorno (la reducción no es completa y por eso los átomos se polarizan). Esta figura obtenida por la colaboración CLAS muestra los resultados para la transparencia nuclear en función de la longitud de coherencia (lc en la figura, medido en fm) y para el cuadrado del momento transferido (Q² en la figura, medido en GeV²).

Los físicos disfrutarán con información adicional en Pankaj Jain, Bernard Pire, John P. Ralston, “Quantum Color Transparency and Nuclear Filtering,” Phys. Rept. 271: 67-179, 1996 [arXiv:hep-ph/9511333]. Un buen resumen del estado actual de los resultados experimentales en Lamiaa El Fassi (Rutgers University, on behalf of CLAS Collaboration), “Overview of Color Transparency Measurements,” CIPANP, May 29th, 2012 [slides]; resultados previos en Dipangkar Dutta (Mississippi State University), “Color Transparency: The Story So Far,” PINAN-11, Sept 26-30, 2011 [slides].

 

7 pensamientos en “La colaboración CLAS confirma la transparencia de color en QCD

  1. Hola,

    Dices: “…colisiones de electrones de alta energía…”. Pero los electrones no son hadrones… ¿Querías decir protones? ¿O me he perdido algo?

    Saludos,

    • Neutrino, la imagen de la entrada lo deja muy claro: un electrón colisiona de forma inelástica con un núcleo atómico provocando (efecto bola de billar) que un quark salga despedido por el núcleo atravesándolo y hadronizándose mientras lo hace, apareciendo al final como un mesón rho.

  2. Hola. Hay una cosa que no entiendo. ¿Qué ocurre con el nucleón que perdió (¿y la libertad asintótica?) el quark?

    • Lego, no soy experto y quizás la entrada no ha dejado claro todos los detalles importantes.

      El electrón incidente interacciona con un núcleo mediante un fotón virtual. Dentro de la materia nuclear este fotón virtual se desintegra en un par quark-antiquark virtuales. Este “mesón” virtual se propaga por la materia nuclear durante una cierta distancia, llamada de correlación, igual a 2 v / (M^2 + Q^2) según la figura que abre la entrada, donde v es la energía del fotón virtual, M es la masa invariante del “mesón” virtual y Q es la transferencia de momento entre ambos. El “mesón” virtual u off-shell (mejor sería decir par quark-antiquark virtual) se propaga (difracta) a través del núcleo y se transforma en un “mesón real” u on-shell, es decir, se hadroniza, resultando en un mesón rho-cero una vez sale del núcleo.

      ¿Qué le pasa al nucleón donde se inicia la producción del “mesón” virtual? En principio nada especial, que yo sepa. Recuerda que un nucleón es una “bolsa” de infinidad de gluones y pares quark-antiquark virtuales, por lo que tener uno más o menos no debe afectarle mucho. Además, el nucleón está en movimiento continuo dentro del núcleo luego la transferencia de momento que puede recibir del “mesón” virtual debe afectarle poco (pero no soy experto en este tipo de detalles).

      ¿Libertad asintótica? En principio, las distancias que se manejan en este tipo de experimentos son demasiado grandes para que la libertad asintótica sea relevante.

      Por cierto, gracias por tus preguntas Lego.

      • Francis, gracias por tu tiempo y tu paciencia. De nuevo se interpuso la imagen clásica e imaginé al nucleón en un autoestado. Antes de preguntarte estuve meditando sin encontrar solución. Realmente no entendía el tercer párrafo. Ya si. Gracias.
        Lo de la libertad a. viene de que (ahora no sé porqué, aunque ayer lo tenía muy claro) necesariamente el nucleón emitía un qark… (como el mecanismo de H. para la emisión de los agujeros negros, sólo que desde dentro), lo que me parecía imposible.
        Te agradezco mucho la última frase de tu respuesta, aunque sé lo agobiante que puede ser un alumno pesado (hace mucho y durante un cuatrimestre impartí un curso de Física Estadística y Térmica).

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