«¿Cómo se distribuyen la materia y la energía?» preguntó Peter Schweitzer, físico teórico de la Universidad de Connecticut. «No lo sabemos».
Schweitzer ha pasado la mayor parte de su carrera pensando en el lado gravitacional del protón. Específicamente, está interesado en una matriz de propiedades del protón llamada tensor de energía-momento. «El tensor de energía-momento sabe todo lo que hay que saber sobre la partícula», dijo.
En la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, que proyecta la atracción gravitacional como objetos que siguen curvas en el espacio-tiempo, el tensor de energía-momento le dice al espacio-tiempo cómo doblarse. Describe, por ejemplo, la disposición de la energía (o, equivalentemente, de la masa), fuente de la mayor parte de la torsión del espacio-tiempo. También rastrea información sobre cómo se distribuye el impulso, así como dónde habrá compresión o expansión, lo que también puede curvar ligeramente el espacio-tiempo.
Si pudiéramos conocer la forma del espacio-tiempo que rodea a un protón, como lo descubrieron físicos rusos y estadounidenses de forma independiente en la década de 1960, podríamos inferir todas las propiedades indexadas en su tensor de energía-momento. Entre ellos se incluyen la masa y el giro del protón, que ya se conocen, junto con la disposición de las presiones y fuerzas del protón, una propiedad colectiva a la que los físicos se refieren como el «término Druck», por la palabra que significa presión en alemán. Este término es «tan importante como masa y espín, y nadie sabe qué es», dijo Schweitzer, aunque eso está empezando a cambiar.
En los años 60, parecía como si medir el tensor de energía-momento y calcular el término de Druck requiriera una versión gravitacional del experimento de dispersión habitual: se dispara una partícula masiva a un protón y se deja que los dos intercambien un gravitón, la partícula hipotética. eso forma ondas gravitacionales, en lugar de un fotón. Pero debido a la extrema debilidad de la gravedad, los físicos esperan que la dispersión de gravitones ocurra 39 órdenes de magnitud menos que la dispersión de fotones. Los experimentos no pueden detectar un efecto tan débil.
«Recuerdo haber leído sobre esto cuando era estudiante», dijo Volker Burkert, miembro del equipo del Laboratorio Jefferson. La conclusión fue que «probablemente nunca podremos aprender nada sobre las propiedades mecánicas de las partículas».
Gravedad sin gravedad
Los experimentos gravitacionales todavía hoy son inimaginables. Pero una investigación realizada a finales de los años 1990 y principios de los años 2000 por los físicos Xiangdong Ji y, trabajando por separado, el fallecido Maxim Polyakov reveló una solución.
El esquema general es el siguiente. Cuando disparas un electrón ligeramente a un protón, normalmente entrega un fotón a uno de los quarks y rebota. Pero en menos de uno entre mil millones de eventos sucede algo especial. El electrón entrante envía un fotón. Un quark lo absorbe y luego emite otro fotón un latido después. La diferencia clave es que este raro evento involucra dos fotones en lugar de uno: fotones entrantes y salientes. Los cálculos de Ji y Polyakov demostraron que si los experimentadores pudieran recolectar el electrón, el protón y el fotón resultantes, podrían inferir de las energías y los momentos de estas partículas lo que sucedió con los dos fotones. Y ese experimento de dos fotones sería esencialmente tan informativo como el imposible experimento de dispersión de gravitones.