Si preguntas cuánto pesa un objeto como una bicicleta, hay una respuesta simple. Pero si preguntas dónde está la masa de una bicicleta, las cosas se vuelven más complejas. La bicicleta tiene muchas partes, algunas de las cuales se mueven, que tienen diferentes volúmenes, formas y densidades, por lo que su masa se distribuye irregularmente alrededor de su forma.
Hasta cierto punto, esto es similar a la pregunta de dónde está la masa de un protón. El protón es una colección de quarks y gluones que se mueven a velocidades relativistas alrededor de un punto central. Averiguar dónde vive su masa sería difícil incluso sin el hecho de que la analogía con las bicicletas se desmorona por completo debido a un hecho incómodo: un protón pesa mucho más que los quarks que lo componen, y los gluones que mantienen unidos a los quarks no tienen masa. De hecho, la masa de las partículas involucradas es algo irrelevante. «Si haces cálculos donde estableces la masa del quark en cero, el protón es más o menos lo mismo», dijo el físico Sylvester Johannes Joosten a Ars.
En cambio, gran parte de la masa del protón proviene de la increíblemente alta densidad de energía creada por las fuertes interacciones de fuerza de los gluones. Entonces, para entender la masa de un protón, tenemos que entender qué hacen sus gluones. Lo cual, dado que no tienen masa y no tienen carga, es extremadamente difícil de hacer. Pero algún trabajo experimental ha creado un valor para el radio de masa del protón, que describe la distribución de masa dentro de la partícula. Y resulta que el valor es significativamente diferente del radio de carga del protón.
olfateando gluones
Sin masa ni carga, los gluones son muy difíciles de detectar; inferimos principalmente dónde deben haber estado por los escombros que ayudan a crear en las colisiones de partículas. Hasta cierto punto, podemos modelar su comportamiento, pero eso se describe principalmente mediante la cromodinámica cuántica, que es legendaria por su capacidad para poner de rodillas vastos recursos computacionales. Entonces, incluso los mejores modelos de comportamiento de gluones que tenemos son aproximaciones.
Si la masa de un protón depende principalmente de sus gluones, entonces, y no podemos saber qué están haciendo los gluones, ¿cómo podemos saber qué está pasando?
El truco fue identificar un proceso que se puede detectar, pero que es sensible a la presencia de gluones. Ese proceso es la conversión de energía (en forma de luz) en materia. Específicamente, un fotón con suficiente energía se puede convertir en lo que se llama un mesón J/ψ, compuesto por un quark encantador y un antiquark encantador a través de un proceso que es sensible a la configuración de los gluones en cualquier protón cercano. Al medir la producción de mesones J/ψ, es posible determinar algo llamado factor de forma gravitacional gluónico, que describe dónde se encuentra la masa en el protón.
Cómo hacemos esto es, bueno, casi tan complicado como la descripción del proceso en el párrafo anterior. Comienza con un haz de electrones de alta energía, producido en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson. Estos electrones luego se mueven de un lado a otro en su dirección de viaje en un proceso con un nombre muy técnico: ondulación. Esto les hace perder energía, que liberan en forma de fotones de alta energía.
Esos fotones luego se envían a través de una cámara que contiene una tina de hidrógeno líquido. Mientras transitan por la tina, algunos de los fotones se convertirán en mesones J/ψ que luego decaerán rápidamente. Dos de los productos de esa desintegración son un electrón y un positrón, que pueden ser captados por detectores, lo que permite registrar la producción de los mesones J/ψ. Con base en estas detecciones, es posible trabajar hacia atrás y descubrir los factores de forma gravitacionales gluónicos.
(Tenga en cuenta que ni siquiera estoy tratando de encontrar una analogía para los factores de forma gravitacionales gluónicos que lo ayuden a comprenderlos. Se describen en el documento como «los elementos de la matriz del tensor de energía-momentum del protón y codifican la mecánica propiedades del protón, mientras que la anomalía de traza del tensor de energía-momento es un componente clave del origen de la masa de acuerdo con la cromodinámica cuántica». Tendrá que confiar en todos los involucrados en que son términos que ayudan a describir la relación entre gluones y masa).