A mediados del siglo XX, los científicos descubrieron que los protones tienen la capacidad de resonar, como las vibraciones de un reloj. Durante las siguientes tres décadas, las imágenes tridimensionales del protón continuaron avanzando y se obtuvo una comprensión más profunda de la estructura del protón en su estado fundamental. Sin embargo, la comprensión de la estructura tridimensional de los protones resonantes sigue siendo limitada.

Un experimento reciente realizado en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de Estados Unidos profundiza en la estructura tridimensional de las resonancias de protones y neutrones. Esta investigación proporciona otra pieza del rompecabezas de la imagen del universo donde surgió el caos por primera vez después del Big Bang.

El estudio de las propiedades básicas y el comportamiento de los nucleones proporciona pistas importantes para nuestra comprensión de los componentes básicos de la materia. Los nucleones son los protones y neutrones que forman el núcleo de un átomo. Cada nucleón está formado por tres quarks, unidos por gluones mediante interacción fuerte, la fuerza más poderosa de la naturaleza.

El estado más estable y de menor energía de un núcleo se llama estado fundamental. Pero cuando un nucleón es excitado a la fuerza a un estado de alta energía, sus quarks giran y vibran entre sí, exhibiendo lo que se llama resonancia de nucleón.

Un equipo de físicos de la Universidad Justus Liebig (JLU) en Giessen, Alemania, y la Universidad de Connecticut, liderando la colaboración CLAS, llevó a cabo un experimento para explorar estas resonancias de nucleones. Los experimentos se llevaron a cabo en la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuo (CEBAF) de clase mundial del Laboratorio Jefferson. CEBAF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía que respalda la investigación de más de 1.800 físicos nucleares de todo el mundo. Los resultados de la investigación se publicaron recientemente en la prestigiosa revista revisada por pares Physical Review Letters.

Stefan Diehl, líder del equipo de análisis, dijo que el trabajo del equipo reveló las propiedades fundamentales de la resonancia nuclear. Diehl es investigador postdoctoral y líder de proyecto en el Instituto de Física II de la Union University de Giessen y profesor de investigación en la Universidad de Connecticut. Este trabajo también estimula nuevas investigaciones sobre la estructura tridimensional y los procesos de excitación de protones resonantes.

"Esta es la primera vez que realizamos mediciones y observaciones sensibles a las características tridimensionales de este estado excitado", afirma Diehl. "En principio, esto es sólo el comienzo y este tipo de medición abre un nuevo campo de investigación".

El experimento se llevó a cabo en la Sala Experimental B en 2018-2019, utilizando el detector CLAS12 en el Laboratorio Jefferson. Un haz de electrones de alta energía se introduce en una cámara de gas hidrógeno enfriado. El electrón golpea el protón del objetivo, excitando los quarks dentro de él y combinándose con estados quark-antiquark (los llamados mesones) para crear una resonancia de nucleón.

Estas excitaciones son pasajeras, pero dejan evidencia de su existencia en forma de nuevas partículas que se crean mediante la fisión energética de las partículas excitadas. Estas nuevas partículas son lo suficientemente largas como para que los detectores las capturen, de modo que el equipo pueda reconstruir las resonancias.

Diehl et al. discutieron recientemente sus resultados en el taller conjunto "Exploración de estructuras resonantes con GPD transicionales" en Trento, Italia. Esta investigación ha inspirado a dos grupos teóricos a publicar artículos relacionados.

El equipo también planea realizar experimentos adicionales en el Laboratorio Jefferson utilizando diferentes objetivos y polarizaciones. Mediante la dispersión de electrones de protones polarizados, se pueden obtener diferentes características del proceso de dispersión. Además, el estudio de procesos similares, como la combinación de fotones de alta energía para crear resonancias, también puede proporcionar información más importante.

Diehl dijo que a través de estos experimentos, los físicos pueden descubrir las características del universo primitivo después del Big Bang: "Al principio, el universo primitivo sólo tenía algo de plasma compuesto de quarks y gluones, y estos plasmas giraban porque la energía era demasiado alta. Luego, en cierto punto, comenzó a formarse materia, y los primeros en formarse fueron estados de nucleones excitados. Cuando el universo se expandió aún más, se enfrió y emergieron los nucleones en estado fundamental".

"A través de estos estudios, podemos comprender las características de estas resonancias. Esto nos dirá cómo se formó la materia en el universo y por qué el universo existe en la forma que existe".