¿Calla y calcula?

La situación actual del modelo estándar de partículas y de la teoría de la relatividad es muy parecida a la situación del modelo celeste a...

La masa del protón por un millón de dólares.

En esta entrada, dentro de la serie de los límites de la física, analizamos la discrepancia entre la masa esperada y la obtenida del protón y del neutrón. Existe un premio de un millón de dólares para el que la justifique.

Repasemos lo que ya sabemos.

Los átomos están formados por núcleos y electrones. Los núcleos contienen protones y neutrones. Los protones están constituidos por dos quarks Up y uno Down y los neutrones por dos quarks Down y uno Up.

La fuerza de atracción que mantiene unidos los quarks dentro del protón y del neutrón es la fuerza nuclear fuerte que tiene tres colores Rojo, Verde, Azul (RGB por Red, Green, Blue en inglés). Los tres quarks del protón tienen distinto color, de forma que la suma es ‘blanca’.

En los mesones, de dos quarks, se unen un quark y un antiquark con un color y un anticolor, de forma que la suma es ‘negra’.

No hay quarks libres porque a medida que se separan es como si un muelle los juntara cada vez con más fuerza hasta que la energía del sistema es capaz de crear un par complementario y entonces se separan emparejados otra vez.

Los quarks disfrutan de los que se llama la libertad asintótica mientras están confinados en los hadrones (partículas formadas por quarks: los mesones (2q) y los bariones (3q)).

El problema es que la suma de las masas de los quarks ni de lejos es la masa del hadrón correspondiente:

Partícula
Masa
Quark Up
2,4
Quark Down
4,8
Protón (uud)
938
Neutrón (udd)
950
Pión+ (Up+anti Down)
140
Pión- (Down+Anti Up)
140
Pión0 (Down+AntiDown)
135
Pión0 (Up+AntiUp)
135

Es decir los quarks apenas justifican la masa del hadrón. Entonces la pregunta es ¿De dónde sale la masa de los hadrones?

Esta pregunta forma es una de las preguntas del milenio del Clay Mathematics Institute, CMI, dotado con un millón de dólares para el que aporte una solución. Se trata de


La descripción del problema nos pide que justifiquemos tres cosas:

Debe justificar la diferencia entre las masas de los protones y los quarks, y por qué los gluones, a diferencia de los bosones intermedios, no tienen masa.

Debe justificar el confinamiento de los quarks, es decir, por qué los quarks están libres mientras están juntos, pero la fuerza con la que se atraen se dispara cuando se separan hasta el punto de que se crean del vacío un par de quarks nuevos para impedir que estén solos. La intensidad de la gravedad o del campo electromagnético disminuye con la distancia, pero la intensidad de la fuerza nuclear fuerte funciona al revés: los quarks están  confinados y no se pueden separar.

Debe justificar el álgebra de los piones, mesones quark-antiquark, en los debe justificar la diferencia entre los quarks y los antiquarks.

Por el primer punto es necesario explicar por qué la fuerza nuclear es fuerte pero de corta distancia; por el segundo se necesita explicar por qué nunca vemos quarks individuales; y por el tercero se debe explicar la teoría del álgebra actual de piones que fue desarrollada en la década de 1960.

Una propuesta desarrollada desde el modelo estándar del libro




es la siguiente:

Un quark es una partícula con tres ejes: (s, t, u), siendo s = 'x' o 'y' o 'z'. La teoría actual reconoce que los quarks del protón están permanentemente intercambiando gluones, es decir, cambiando de color, lo que nosotros debemos interpretar como rotando sobre las tres dimensiones espaciales manteniendo la dimensión u (unseen) y el eje temporal fijos.

Sin embargo, lo más probable es que los quarks confinados establezcan una cápsula dentro de la cual rotan en todas las direcciones, es decir, intercambian no sólo las curvaturas de las tres dimensiones espaciales sino también las otras dos o al menos la flecha del tiempo. 

Si la masa de los quarks es proporcional a la proyección del quark sobre la dimensión temporal, y estando confinado rota de forma que el color se convierte en masa, entonces su masa aparente sería mucho mayor.

En los quarks confinados, una consecuencia de la libertad asintótica es que el color se convierte en masa, es decir, los quarks están libres dentro del protón o del neutrón porque mientras no se separen no actúa la carga de color y al mismo tiempo, les es posible rotar transformando la carga de color en masa, es decir la curvatura de una dimensión espacial en curvatura de la dimensión temporal.

Bibliografía (de pago) en


Puede tener sentido. 

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