Si subió al Magic School Bus y comenzó a encogerse, más pequeño que una hormiga o una ameba o una sola célula, y luego se encogió hasta que los átomos individuales eran tan grandes como mundos enteros, e incluso sus partículas constituyentes se elevaron sobre usted, usted entrar en un mundo burbujeante con enormes y conflictivas presiones.
En el centro de un protón, una presión mayor que la encontrada dentro de una estrella de neutrones lo arrojaría hacia el borde de la partícula. Pero en los límites exteriores del protón, una fuerza igual y opuesta lo empujaría hacia el centro del protón. En el camino, las fuerzas de cizalla que se mueven lateralmente te golpearán y superarán con creces cualquier cosa que cualquier persona pueda experimentar en su vida.
Un nuevo artículo, publicado el 22 de febrero en la revista Physical Review Letters, ofrece la descripción más completa hasta el momento de las presiones competitivas dentro de un protón, no solo en términos de quarks, las partículas que le dan masa a un protón, sino también sus gluones, las partículas sin masa que unen a esos quarks.
Este estado cuántico burbujeante y hirviendo
Las descripciones simples de protones implican solo tres quarks unidos por un montón de gluones. Pero esas descripciones están incompletas, dijo la coautora del estudio Phiala Shanahan, física del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).
"El protón está formado por un montón de gluones y luego, en realidad, por un montón de quarks", dijo Shanahan a Live Science. "No solo tres. Hay tres quarks principales, y luego cualquier número de pares quark-antiquark que aparecen y desaparecen ... y son todas las complicadas interacciones de este burbujeante y cuántico estado de ebullición las que generan la presión".
Shanahan y el coautor William Detmold, que también es físico en el MIT, descubrieron que los gluones producen aproximadamente el doble de presión que los quarks dentro de un protón, y que esta presión se distribuye en un área más amplia de lo que se conocía anteriormente. Descubrieron que la presión total de un protón alcanza un máximo de 100 decillones (o 1 con 35 ceros después) pascals - o aproximadamente 260 sextillones (o 26 con 22 ceros después) multiplicada por la presión en el centro de la Tierra.
Críticamente, esa presión apunta en dos direcciones diferentes.
"Hay una región de presión positiva, por lo que también tiene que haber una región de presión negativa", dijo. "Si hubiera solo una región de presión positiva, el protón continuaría expandiéndose y no sería estable".
Un gran cálculo
Pero por enormes que sean esas presiones, no hay forma de que los científicos las midan directamente en la mayoría de las circunstancias. Para sondear el interior de los protones, los científicos los bombardean con electrones aún más pequeños a energías muy altas. En el proceso, cambian los protones. Ningún experimento conocido puede revelar cómo es dentro de un protón a las bajas energías que generalmente experimentan.
Por lo tanto, los científicos confían en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que describe los quarks y los fuertes gluones portadores de fuerza que los unen. Los científicos saben que QCD funciona porque los experimentos de alta energía confirman sus predicciones, dijo Detmold. Pero a bajas energías, tienen que confiar en las matemáticas y los cálculos.
"Desafortunadamente es muy difícil de estudiar analíticamente, escribiendo ecuaciones con lápiz y papel", dijo Shanahan.
En cambio, los investigadores recurren a las supercomputadoras que conectan en red miles de núcleos de procesador para resolver ecuaciones complicadas.
Incluso con dos supercomputadoras trabajando juntas, los cálculos tomaron aproximadamente un año, dijo.
Shanahan y Detmold rompieron el protón en sus diferentes dimensiones (tres para el espacio y una para el tiempo) para simplificar el problema que las supercomputadoras tuvieron que resolver.
En lugar de un solo número, el mapa de presión resultante se vería como un campo de flechas, todos de diferentes tamaños y apuntando en diferentes direcciones.
Entonces la respuesta a la pregunta, "¿Cuál es la presión dentro de un protón?" depende mucho de qué parte del protón está preguntando.
También depende del radio del protón. Si los protones son bolsas de gluones y quarks, esas bolsas crecen y se encogen dependiendo de las otras partículas que actúan sobre ellas. Entonces, los resultados de Shanahan y Detmold no se reducen a un solo número.
Pero ahora nuestros mapas de los extremos de todos estos pequeños mundos hirvientes dentro de nosotros son mucho más vívidos.
