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Explican experimentalmente la diferencia de masa neutrón-protón

Científicos de Alemania, Francia y Hungría han determinado por fin, de manera experimental, que la pequeña diferencia de masa neutrón-protón se debe en parte a la distinta masa de sus quarks constituyentes, mediante complejos cálculos de ordenador. El protón está formado por dos quarks ‘arriba’ y uno ‘abajo’, mientras que el neutrón tiene dos ‘abajo’ y uno ‘arriba’.

Explican experimentalmente la diferencia de masa neutrón-protón

El hecho de que el neutrón es ligeramente más masivo que el protón es la razón por la que los núcleos atómicos tienen exactamente las propiedades que hacen nuestro mundo y en última instancia posible nuestra existencia.

Ochenta años después del descubrimiento del neutrón, un equipo de físicos de Francia, Alemania y Hungría encabezados por Zoltán Fodor, investigador de Wuppertal (Alemania), ha calculado por fin la pequeña diferencia de masa neutrón-protón. Los resultados, que se han publicado en Science, han sido considerados un hito por muchos físicos y confirman la teoría de la interacción fuerte. Uno de los ordenadores más potentes del mundo, Juqueen, del centro de investigación Forschungszentrum Jülich (Jülich, Alemania) fue decisivo para la simulación.

Como explica la nota de prensa del centro de investigación, la existencia y la estabilidad de los átomos depende en gran medida del hecho de que los neutrones son ligeramente más masivos que los protones. Las masas determinadas experimentalmente difieren en sólo alrededor del 0,14 por ciento. Un valor ligeramente menor o mayor de la diferencia de masa habría dado lugar a un universo totalmente diferente, con demasiados neutrones, demasiado poco hidrógeno, o muy pocos elementos más pesados.

La pequeña diferencia de masa es la razón por la que los neutrones libres decaen en promedio al cabo de unos diez minutos, mientras que los protones -los bloques de construcción de la materia que no cambian- permanecen estables durante un período prácticamente ilimitado.

En 1972, unos 40 años después del descubrimiento del neutrón por Chadwick en 1932, Harald Fritzsch (Alemania), Murray Gell-Mann (EE.UU.), y Heinrich Leutwyler (Suiza) presentaron una teoría consistente de partículas y fuerzas que forman el neutrón y el protón, conocida como cromodinámica cuántica. Hoy en día, sabemos que los protones y los neutrones están compuestos de quarks down (abajo) y up (arriba). El protón está hecho de un down y dos up, mientras que el neutrón se compone de un up y dos down.

Cálculos

Las simulaciones en supercomputadoras de los últimos años confirman que la mayoría de la masa de los protones y neutrones resulta de la energía transportada por sus quarks, de acuerdo con la fórmula de Einstein E = mc2.

Sin embargo, una pequeña contribución del campo electromagnético que rodea al protón (carga positiva) debería hacerlo alrededor del 0,1 por ciento más masivo que el neutrón (carga neutra). El hecho de que la masa de los neutrones sea más grande aún se debe, evidentemente, a las diferentes masas de los quarks, como Fodor y su equipo han demostrado ahora con simulaciones extremadamente complejas.

Para los cálculos, el equipo desarrolló una nueva clase de técnicas de simulación que combina las leyes de la cromodinámica cuántica con las de la electrodinámica cuántica a fin de determinar con precisión los efectos de las interacciones electromagnéticas. Mediante el control de todas las fuentes de error, los científicos demostraron con éxito cuán finamente ajustadas están las fuerzas de la naturaleza.

Los resultados de este trabajo de equipo de físicos de la Bergische Universität Wuppertal, del Centre de Physique théorique de Marsella (Francia), la Universidad Eötvös de Budapest (Hungría), y el Forschungszentrum Jülich, abren la puerta a una nueva generación de simulaciones que se utilizarán para determinar las propiedades de los quarks, gluones y partículas nucleares.

Según el profesor Kálmán Szabó, del Forschungszentrum Jülich, «en el futuro, podremos poner a prueba el modelo estándar de la física de partículas elementales con un aumento de diez veces en precisión, lo que posiblemente nos permita identificar los efectos que nos ayuden a descubrir nueva física más allá el modelo estándar».

Referencia bibliográfica:

Sz. Borsanyi, S. Durr, Z. Fodor, C. Hoelbling, S. D. Katz, S. Krieg, L. Lellouch, T. Lippert, A. Portelli, K. K. Szabo, B. C. Toth: Ab initio calculation of the neutron-proton mass difference. Science (2015). DOI: 10.1126/science.1257050.

RedacciónT21

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