Dispersión inelástica profunda

En física de partículas , la dispersión inelástica profunda es el nombre que se le da a un proceso utilizado para sondear el interior de los hadrones (en particular los bariones , como los protones y los neutrones ), utilizando electrones , muones y neutrinos . ^{[1] [2]} Se intentó por primera vez en los años 1960 y 1970 y proporcionó la primera evidencia convincente de la realidad de los quarks , que hasta ese momento muchos habían considerado un fenómeno puramente matemático. Es una extensión de la dispersión de Rutherford a energías mucho más altas de la partícula dispersante y, por lo tanto, a una resolución mucho más fina de los componentes de los núcleos .

Henry Way Kendall , Jerome Isaac Friedman y Richard E. Taylor recibieron conjuntamente el Premio Nobel de 1990 "por sus investigaciones pioneras sobre la dispersión inelástica profunda de electrones en protones y neutrones ligados, que han sido de importancia esencial para el desarrollo del modelo de quarks en física de partículas". ^[3]

Para explicar cada parte de la terminología, " dispersión " se refiere a la desviación de los leptones (electrones, muones, etc.) de los hadrones. Medir los ángulos de desviación proporciona información sobre la naturaleza del proceso. " Inelástico " significa que el objetivo absorbe algo de energía cinética. De hecho, a las altísimas energías de los leptones utilizadas, el objetivo se "hace añicos" y emite muchas partículas nuevas. Estas partículas son hadrones y, para simplificar demasiado, el proceso se interpreta como un quark constituyente del objetivo que se "elimina" del hadrón objetivo y, debido al confinamiento de quarks , los quarks no se observan realmente sino que producen las partículas observables por hadronización . "Profundo" se refiere a la alta energía del leptón, que le da una longitud de onda muy corta y, por lo tanto, la capacidad de sondear distancias que son pequeñas en comparación con el tamaño del hadrón objetivo, por lo que puede sondear "muy dentro" del hadrón. Además, tenga en cuenta que en la aproximación perturbativa es un fotón virtual de alta energía emitido desde el leptón y absorbido por el hadrón objetivo el que transfiere energía a uno de sus quarks constituyentes, como en el diagrama adyacente.

Povh y Rosina señalaron que el término “dispersión inelástica profunda contra nucleones” se acuñó cuando se desconocía la subestructura de quarks de los nucleones. Ellos prefieren el término “ dispersión leptón-quark cuasielástica ”.

El modelo estándar de la física, en particular el trabajo de Murray Gell-Mann en la década de 1960, había logrado unificar muchos de los conceptos previamente dispares de la física de partículas en un esquema relativamente sencillo. En esencia, había tres tipos de partículas:

• Los leptones , que eran partículas de baja masa como los electrones, los neutrinos y sus antipartículas , tienen carga eléctrica entera .
• Los bosones de calibración , que eran partículas que intercambiaban fuerzas, iban desde el fotón (el portador de la fuerza electromagnética), que no tenía masa y era fácil de detectar, hasta los exóticos gluones (aunque todavía carentes de masa) , que transmiten la fuerza nuclear fuerte.
• Los quarks , que eran partículas masivas que portaban cargas eléctricas fraccionarias, son los "bloques constructores" de los hadrones y también las únicas partículas que se ven afectadas por la interacción fuerte .

Los leptones se habían detectado desde 1897, cuando J. J. Thomson había demostrado que la corriente eléctrica es un flujo de electrones. Algunos bosones se detectaban de forma rutinaria, aunque las partículas W ⁺ , W− ^y Z0 ^de la fuerza electrodébil solo se vieron categóricamente a principios de los años 1980, y los gluones solo se detectaron con certeza en DESY en Hamburgo aproximadamente al mismo tiempo. Sin embargo, los quarks seguían siendo esquivos.

Basándose en los innovadores experimentos de Rutherford de los primeros años del siglo XX, se formularon ideas para detectar quarks. Rutherford había demostrado que los átomos tenían un núcleo pequeño, masivo y cargado en su centro disparando partículas alfa a átomos de oro. La mayoría habían logrado atravesarlo con poca o ninguna desviación, pero unas pocas se desviaron en ángulos grandes o regresaron de inmediato. Esto sugería que los átomos tenían una estructura interna y mucho espacio vacío.

Para investigar el interior de los bariones, era necesario utilizar una partícula pequeña, penetrante y de fácil producción. Los electrones eran ideales para esta función, ya que son abundantes y se aceleran fácilmente a altas energías debido a su carga eléctrica. En 1968, en el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford (SLAC), se lanzaron electrones contra protones y neutrones en núcleos atómicos. ^{[4] [5] [6]} Se realizaron experimentos posteriores ^{[2] con} muones y neutrinos , pero se aplican los mismos principios. ^{[1] [7]}

La colisión absorbe algo de energía cinética y, por lo tanto, es inelástica . Esto contrasta con la dispersión de Rutherford, que es elástica : no hay pérdida de energía cinética. El electrón emerge del núcleo y se puede detectar su trayectoria y velocidad. El análisis de los resultados condujo a la conclusión de que los hadrones tienen, en efecto, una estructura interna. Los experimentos fueron importantes porque no solo confirmaron la realidad física de los quarks, sino que también demostraron una vez más que el Modelo Estándar era la vía correcta de investigación que debían seguir los físicos de partículas.

• Dispersión inelástica profunda semi-inclusiva

• Amsler, Claude (2014). "Dispersión inelástica profunda de electrones y protones". Física nuclear y de partículas . doi :10.1088/978-0-7503-1140-3ch18. ISBN 978-0-7503-1140-3.
• Povh, Bogdan; Rosina, Mitja (2017). "2.1 Dispersión electrón-quark, 2.4 Dispersión neutrino-quark". Dispersión y estructuras: elementos esenciales y analogías en física cuántica . ISBN 978-3-66254513-3.