Los últimos experimentos realizados con tres aceleradores de partículas diferentes, junto con los cálculos derivados de esos experimentos, parecen sugerir que la distribución de cargas en el interior del neutrón no es la que ha sido aceptada durante décadas. Investigadores de la Universidad de Washington han descubierto que la carga del neutrón está repartida como un “sándwich” de cargas negativa-positiva-negativa.

La noticia nos llega a través de un comunicado de prensa de la propia Universidad de Washington y es más bien escueto, aunque los resultados del estudio han sido publicados en Physical Review Letters (desgraciadamente, se trata de un artículo de pago). De manera que no tenemos una gran cantidad de datos, pero esto es lo que he podido averiguar a partir de lo que sabemos acerca del neutrón, el comunicado de prensa y el resumen del artículo (que sí es público y puedes encontrar en el enlace al final de esta entrada).

Como sabes si has leído la entrada acerca del neutrón en Esas maravillosas partículas, de acuerdo con el modelo de quarks se trata de un barión, es decir, un hadrón compuesto por tres quarks: up-down-down (arriba-abajo-abajo). Sin embargo, es muy difícil saber exactamente cómo están situados estos tres quarks en el interior del neutrón. La mayor parte de los diagramas simplemente colocan los quarks al azar:

Sin embargo, desde bastante antes del descubrimiento de los quarks ya se tienen ciertas nociones acerca de la estructura interna del neutrón. Enrico Fermi fue el primero en proponer, a partir de las observaciones realizadas en los años 40, que el neutrón tenía una distribución de carga en su interior (es decir, no era simplemente “neutro” sin más), del mismo modo que un átomo es neutro pero tiene regiones positivas y otras negativas.

De hecho, el modelo de Fermi, aceptado durante décadas, afirmaba que el neutrón tiene una estructura de carga similar a la de un átomo: una zona positiva en el centro rodeada de una “cáscara” negativa. Dentro del modelo de quarks, esto sugeriría que los quarks down están en la zona exterior del neutrón, mientras que el quark up está en el centro.

Distribución de carga clásica del neutrón.

En la gráfica de arriba puedes ver la idea clásica: un neutrón sería algo así como un protón (gráfica de arriba) asociado a una “corteza” negativa (gráfica de abajo, marcada como Shell, “corteza”), con lo que resulta la distribución de carga de la gráfica central, la del neutrón.

Sin embargo, el equipo del Dr. Gerald A. Miller, de la Universidad de Washington, se ha basado en las observaciones realizadas en tres aceleradores de partículas diferentes (el Thomas Jefferson National Accelerator Facility, el Bates Linear Accelerator del MIT y el Mainz Microtron de la Universidad Johannes Gutenberg, en Germany) para proponer un modelo diferente: según Miller, el neutrón no tiene un núcleo positivo rodeado de una corteza negativa, sino que tanto el núcleo como la corteza tienen carga negativa, y entre ellos hay una región positiva intermedia.

Es decir, en términos del modelo de quarks, parece que los quarks down ocupan el centro y la periferia del neutrón, mientras que el quark up se encuentra atrapado entre ellos como dentro de un sándwich. Aunque el resultado de estos experimentos es compatible con la idea de Fermi para distancias largas (el neutrón sigue siendo neutro) y medias (su corteza sigue siendo negativa), podría haber implicaciones “a cortas distancias”, en las que la interacción nuclear fuerte se ve muy afectada por la distribución interna de carga de las partículas.

Aunque no sea tan impresionante, el modelo propuesto por Miller y su equipo _para el protón _también es algo diferente de lo que pensábamos: al parecer, la densidad de carga negativa donde se encuentra el quark down del protón es un 30% mayor que la densidad de carga positiva de los quarks up. Esto no cambia demasiado al protón “visto desde fuera”, pues sigue teniendo la misma carga de antes, pero plantea la pregunta de por qué esa densidad es mayor.

Los científicos aún se encuentran analizando los datos obtenidos en los experimentos, de modo que existe la posibilidad de que alcancen más conclusiones. Espero que, además, consigamos más información acerca de los detalles y, por otro, haya otros centros que confirmen las conclusiones de éste.

Para saber más: Comunicado de la Universidad de Washington, Artículo en Physical Review Letters, El neutrón (El Tamiz), El neutrón (Wikipedia).