¡Ah, este lo conozco!

¿Qué hay en un protón?

Un protón está realmente hecho de excitaciones en campos cuánticos (algo así como ondas localizadas). Recuérdalo. Cada vez que escuche cualquier otra descripción de la composición de un protón, es solo una aproximación del comportamiento de los campos cuánticos en términos de algo con lo que la gente probablemente esté más familiarizada. Necesitamos hacer esto porque los campos cuánticos se comportan de formas muy poco intuitivas, así que si no estás trabajando con toda la maquinaria matemática de QCD (que es difícil), tienes que hacer algún tipo de modelo simplificado para usarlo como analogía.

Una de las cosas más confusas sobre las excitaciones de campo cuántico es que reaccionan de manera diferente dependiendo de cómo se observen. Más específicamente, la única forma de medir las propiedades de una excitación en un campo cuántico es hacer que interactúe con otra excitación y ver cómo las excitaciones se afectan entre sí. O en lenguaje de partículas, tienes que golpear la partícula con otra partícula (la "sonda") y ver qué sale. Según la carga, la energía, el impulso y otras propiedades de la sonda, puede obtener varios resultados.

La gente ha estado haciendo esto durante décadas y han recopilado los resultados en unas pocas conclusiones generales. Por ejemplo, en una colisión lenta, con muy poca energía involucrada, un protón actúa como una única partícula puntual. Si le damos a las partículas un poco más de energía, el protón se parecerá más a una gota con tres puntos; esto es parte de por qué a menudo se dice que el protón se compone de tres quarks. (Dicho sea de paso, la razón por la que ves imágenes como la que encontraste en Wikipedia es que durante mucho tiempo, las personas hacían colisionar protones a energías intermedias donde parecían comportarse como un grupo de tres quarks). Si le damos a las partículas en colisión incluso Con más y más energía, el protón parecerá ser una amalgama cada vez más densa de todo tipo de partículas: quarks, antiquarks, gluones, fotones, electrones y todo lo demás.partones (porque son parte del protón).

El siguiente diagrama muestra ejemplos representativos de los efectivoscomposición del protón en diferentes tipos de colisiones. El eje vertical corresponde básicamente a la energía de colisión, y el eje horizontal corresponde al "poder de resolución" de la partícula incidente ("sonda"). (El poder de resolución es básicamente un momento transversal, pero no puedo explicar cómo funciona esa conexión sin entrar en más detalles de la mecánica cuántica de lo que creo que es necesario). El contenido de cada círculo representa, aproximadamente, una "instantánea" de muestra de cómo el protón se comporta en una colisión con la energía y el poder de resolución correspondientes. Los números, ubicaciones y colores exactos de los puntos no son significativos (excepto en la parte inferior izquierda), solo observa cómo se hacen más grandes o más pequeños y más o menos numerosos a medida que te mueves por la gráfica.

Entonces, por ejemplo, si golpea un protón con un haz de sondas de alta energía (arriba) que tienen un poder de resolución débil (izquierda), se comporta como un grupo denso de partones (quarks y gluones, etc.), cada uno de los cuales es bastante largo. O si golpeas el protón con un haz de sondas de baja energía (abajo) con alto poder de resolución (derecha), se comporta como un grupo disperso de partones, cada uno de los cuales es pequeño. Si lo golpea con un haz de sondas de baja energía (abajo) y bajo poder de resolución (izquierda), se comporta como una colección de tres partículas.

Los físicos describen esta composición aparentemente cambiante utilizando funciones de distribución de partones (PDF), a menudo denotadas$f(x, Q^2)$. Bajo ciertas suposiciones no demasiado locas,$f(x, Q^2)$puede interpretarse como la densidad de probabilidad de que la sonda interactúe con un tipo particular de partón con una cantidad particular de impulso. Visualmente,$f(x, Q^2)$está relacionado con el número de partículas en el círculo en el correspondiente$(x,Q)$punto en la trama (aunque nuevamente, los números exactos no se eligen para reflejar exactamente la realidad). Para obtener más información sobre las distribuciones de partones, lo remito a esta respuesta mía y los recursos mencionados en ella, así como a este .

¿Qué es la región gris?

En la imagen anterior, mostré cada instantánea del protón como un conjunto de partones (quarks y gluones, etc.) distribuidos uniformemente dentro de un círculo, como si el protón tuviera un borde definido y no hubiera nada fuera de ese borde. Pero en realidad, ese no es el caso. Los campos cuánticos que forman un protón se desvanecen gradualmente hasta llegar a cero a medida que te alejas del centro, lo que le da al protón un borde borroso. Entonces, una instantánea de muestra (algo) más precisa se vería así:

Observe que hay más puntos cerca del centro del protón y progresivamente menos a medida que avanza hacia el borde; esto representa el hecho de que es más probable que interactúe una sonda que golpea un protón en el punto muerto que una sonda que golpea cerca del borde.

Las distribuciones ordinarias de partones que mencioné anteriormente,$f(x, Q^2)$, son parte de un modelo simplificado en el que ignoramos este hecho y pretendemos que los partones se distribuyen uniformemente en el espacio. Pero podemos hacer un modelo más complicado que tenga en cuenta el hecho de que los partones se agrupan hacia el centro del protón. En tal modelo, en lugar de distribuciones de partones regulares, obtiene funciones más complicadas, llamadas distribuciones de partones dependientes de parámetros de impacto , y denotadas$f(x, Q^2, b)$, dónde$b$es la distancia radial desde el centro en el que golpea la sonda: el parámetro de impacto.

Ha habido algunos estudios teóricos que muestran que estas distribuciones de partones dependientes de parámetros de impacto se van desvaneciendo gradualmente a medida que se avanza hacia radios grandes. Por ejemplo, vea la figura 5 de este artículo ( arXiv ) o la figura 7 de este ( arXiv ):

Aquí$N(y)$es una cantidad relacionada con las distribuciones de partones (específicamente, es la amplitud de dispersión del dipolo de color), que "condensa" las diferentes distribuciones de partones en una sola cantidad. (Enorme simplificación, pero es lo suficientemente bueno para esto). Luego puede definir la extensión espacial del protón como la región en la que$N(y)$está por encima, digamos, del 5% de su valor máximo. O 10%. O el 50%. El número exacto es algo arbitrario, pero el punto es que, sea cual sea el número que elija, terminará con un círculo que abarca la región en la que la función de distribución de partones es grande, algo así:

Esto es más o menos lo que representa el círculo gris en la imagen de Wikipedia. Es una región con un tamaño del orden de$1\text{ fm}$(eso es sobre$5\text{ GeV}^{-1}$en unidades naturales ), donde la posibilidad de que una partícula incidente (una sonda) se disperse del protón es relativamente significativa. De manera equivalente, es la región en la que las distribuciones de partones son grandes y también la región en la que los campos cuánticos que constituyen el protón son muy diferentes de cero.

Como puedes adivinar, todo esto es bastante impreciso. Puedes hacer una definición más rigurosa del tamaño de un protón usando la sección transversal de dispersión . También puede obtener una definición sin usar dispersión, usando el radio de carga , que puede medirse o calcularse usando varios otros métodos. No entraré en eso, ya que los detalles serían material para una pregunta completamente separada, pero los resultados de todos estos métodos llegan a un radio de un poco menos de$1\text{ fm}$.

Por cierto, esta afirmación de que un protón es un 99% de espacio vacío es probablemente falsa usando cualquier definición razonable. Podrías estar pensando en los átomos , donde el volumen en el que el campo cuántico del electrón tiene un valor apreciable es mucho mayor que el tamaño del propio electrón, sea cual sea. La gente a veces simplifica eso para decir que el átomo consiste en una gran fracción de espacio vacío. Pero realmente no se puede hacer lo mismo con un protón, dada la gran cantidad de partículas que contiene y la fuerza de sus interacciones.

La ilustración no muestra la realidad física subrayada. Un protón está formado por 3 quarks , a saber$uud$, pero también está constituido, como señaló jinawee , por quarks y antiquarks virtuales que se crean y aniquilan constantemente a través de una fuerza fuerte mediada por gluones, descrita por Quantum Chromodynamics (QCD).

La esfera gris en el sitio de Wikipedia, muestra la región donde los quarks forman el protón, en otros términos, si la función de onda muestra la probabilidad de encontrar una partícula en una región del espacio, entonces esta esfera muestra la probabilidad donde puedes encontrar el esencial quarks que forman un protón.

No se puede considerar un protón simplemente como tres quarks (llamados quarks de valencia, porque determinan los números cuánticos) porque los quarks virtuales y los antiquarks se crean y anulan constantemente a través de la fuerza fuerte. Así que un protón es más como un mar de quarks . De hecho, este proceso da la mayor parte de la masa del protón (los quarks de valencia son sólo el 2% de la masa).

Es algo como esto:

Las líneas que conectan los quarks son gluones (las partículas portadoras de fuerza de la interacción fuerte).

La pregunta que está haciendo ha sido respondida en términos de descripción popularizada.

La imagen física real no es simple y depende mucho de una serie de medidas experimentales de muchos experimentos. Si observa la figura 9.18 del enlace , verá que la composición del protón cambia de acuerdo con la transferencia de impulso de la partícula de sondeo.

Contrariamente a la afirmación de que es principalmente espacio vacío, no lo es. Las partículas que sondean el protón no navegan ilesas, interactúan con los quarks y gluones que lo componen y así obtenemos las funciones de partón en la figura. La razón por la que no está mayormente vacío es porque la cromodinámica cuántica, contrariamente a las otras fuerzas, no disminuye con la distancia, sino que aumenta, por lo que los constituyentes están estrechamente unidos.

Entonces, la respuesta a "qué hay dentro del protón" es "depende de cómo mires dentro". Desde fuera, tiene los números cuánticos que le asignan los tres quarks de valencia.

El verdadero problema aquí es que cuando las cosas se vuelven muy, muy pequeñas, no se comportan como el mundo que vemos a nuestro alrededor. Eso puede hacer que mucho de lo que sucede en ese mundo extraño sea bastante difícil de entender.

El diagrama es engañoso. Los protones no son realmente gotas redondas y grises, y los quarks no son realmente pequeñas esferas que se sientan dentro de ellos. Abajo, en el nivel subatómico, gobierna la Mecánica Cuántica .

Uno de los resultados extraños de la Mecánica Cuántica es que las cosas realmente diminutas en realidad no ocupan un solo espacio. Echa un vistazo a tu mano. Está ahí, ¿verdad? En un solo lugar. Si lo cierras en un puño, ocupa menos espacio, y si lo estiras, ocupa más. Pero siempre está en un solo lugar.

Las cosas realmente pequeñas no funcionan así. En cambio, ocupan muchos puntos en el espacio al mismo tiempo. Por lo general, dibujamos diagramas donde las posiciones reales de las cosas diminutas se representan como nubes: están en muchos lugares, todos a la vez.

Los quarks también son así. Están unidos por fuerzas increíblemente poderosas, pero también están tratando de alejarse unos de otros. Como cuando estás en un auto con tus padres en un largo viaje. ¿Qué hago en un viaje largo con mis padres? me inquieto No podría decirte dónde estaré, asiento delantero, asiento trasero, porque me muevo constantemente. Pero sabes que estoy en algún lugar dentro del auto, incluso si no puedes decirme exactamente dónde.

Y lo mismo con los quarks, con un giro: realmente están en muchos lugares diferentes al mismo tiempo. Lo que sí sabemos es que lo más probable es que permanezcan dentro de un límite: en este caso, el círculo gris del protón.

En cuanto al 99% del espacio vacío, la cifra real es mucho más alta que eso. Muy pocoen realidad está 'compuesto' de materia (generalmente llamamos 'hadrones' a las partículas similares a la materia). Entonces, ¿por qué no nos equivocamos todo el tiempo? ¿Por qué mi computadora portátil no se desliza a través de mi escritorio, si casi no es nada? Bueno, porque las fuerzas entre estas diminutas partículas son tremendas, en comparación con su tamaño (y, lo que es más importante, en comparación con su masa). Eso les permite mantener una distancia equilibrada entre sí y evita que cualquier otra cosa se acerque demasiado a ellos o caiga 'entre' las partículas. Cuando atrapas una pelota, las partículas en tu mano y las partículas en la pelota ni siquiera se acercan a 'tocarse', porque las fuerzas entre las partículas son muy fuertes. En cambio, la pelota es 'rechazada' de tu mano. Esta repulsión se equilibra con la fuerza de la pelota debido a la gravedad,

TL; DR: El diagrama hace lo mejor que puede para explicar cómo funcionan las cosas en una escala muy pequeña. Desafortunadamente, es muy engañoso. El 'espacio entre' partículas es a) no realmente espacio, sino 'nubes de puntos' de posibles posiciones de partículas (hay un bocado), yb) son las fuerzas entre partículas, en lugar de las partículas mismas, las que detienen el 'espacio vacío' en el protón de ser algo por lo que realmente podrías pasar.

Como han señalado algunas de las respuestas, la "bola gris" que se muestra en la imagen no es realmente una entidad física en sí misma. Tiene que ver más con la visión clásica que tenemos de las partículas subatómicas como un objeto sólido, cuando en realidad no lo son. Es una representación del radio promedio de la partícula.

Cuando realizas un experimento para detectar el protón, tienes una cierta probabilidad de encontrarlo dentro del área gris, pero también una pequeña probabilidad de encontrarlo afuera. Entonces, una mejor manera de mostrarlo sería representar la pelota con un tono de gris más claro a medida que se aleja del centro de la partícula. Esto daría una mejor noción del hecho de que la partícula no es un sólido con bordes definidos. A medida que se aleja de la posición esperada (el centro de la zona gris), es cada vez menos probable detectar el protón.

El punto es que esa no es una imagen de un protón; es una representación esquemática. Puedes verlo como un diagrama de Euler que dice que en el protón tienes 3 quarks de valencia y algunos gluones.

Por cierto, los componentes exactos de un protón siguen siendo una pregunta abierta.