En física de partículas , dispersión inelástica profunda es el nombre que se le da a un proceso utilizado para sondear el interior de los hadrones (particularmente los bariones , como protones y neutrones ), utilizando electrones , muones y neutrinos . [1] [2] Se intentó por primera vez en las décadas de 1960 y 1970 y proporcionó la primera evidencia convincente de la realidad de los quarks , que hasta ese momento habían sido considerados por muchos como un fenómeno puramente matemático. Es una extensión de la dispersión de Rutherford a energías mucho más altas de la partícula dispersante y, por tanto, a una resolución mucho más fina de los componentes del núcleo .
Henry Way Kendall , Jerome Isaac Friedman y Richard E. Taylor recibieron conjuntamente el Premio Nobel de 1990 "por sus investigaciones pioneras sobre la dispersión inelástica profunda de electrones en protones y neutrones unidos, que han sido de importancia esencial para el desarrollo del quark". modelo en física de partículas." [3]
Para explicar cada parte de la terminología, " dispersión " se refiere a la desviación de los leptones (electrones, muones, etc.) de los hadrones. La medición de los ángulos de desviación proporciona información sobre la naturaleza del proceso. " Inelástico " significa que el objetivo absorbe algo de energía cinética. De hecho, a las muy altas energías de los leptones utilizados, el objetivo se "destroza" y emite muchas partículas nuevas. Estas partículas son hadrones y, para simplificar mucho, el proceso se interpreta como un quark constituyente del objetivo que es "eliminado" del hadrón objetivo y, debido al confinamiento de los quarks , los quarks en realidad no se observan, sino que producen las partículas observables mediante hadronización . "Profundo" se refiere a la alta energía del leptón, lo que le da una longitud de onda muy corta y, por lo tanto, la capacidad de sondear distancias pequeñas en comparación con el tamaño del hadrón objetivo, por lo que puede sondear "en lo profundo" del hadrón. Además, tenga en cuenta que en la aproximación perturbativa es un fotón virtual de alta energía emitido por el leptón y absorbido por el hadrón objetivo el que transfiere energía a uno de sus quarks constituyentes, como en el diagrama adyacente.
Povh y Rosina señalaron que el término “dispersión inelástica profunda contra nucleones” se acuñó cuando se desconocía la subestructura de los quarks de los nucleones. Prefieren el término “ dispersión cuasielástica de leptones-quarks”.
El modelo estándar de física, en particular el trabajo de Murray Gell-Mann en la década de 1960, había logrado unir muchos de los conceptos previamente dispares de la física de partículas en un esquema relativamente sencillo. En esencia, existían tres tipos de partículas:
Los leptones se habían detectado desde 1897, cuando JJ Thomson había demostrado que la corriente eléctrica es un flujo de electrones. Algunos bosones se detectaban de forma rutinaria, aunque las partículas W + , W − y Z 0 de la fuerza electrodébil no se vieron categóricamente hasta principios de los años 1980, y los gluones sólo fueron firmemente fijados en DESY en Hamburgo aproximadamente al mismo tiempo. Los quarks, sin embargo, seguían siendo esquivos.
A partir de los innovadores experimentos de Rutherford en los primeros años del siglo XX, se formularon ideas para detectar quarks. Rutherford había demostrado que los átomos tenían un núcleo pequeño, masivo y cargado en su centro disparando partículas alfa a átomos de oro. La mayoría había atravesado con poca o ninguna desviación, pero algunos fueron desviados en grandes ángulos o regresaron. Esto sugirió que los átomos tenían estructura interna y mucho espacio vacío.
Para sondear el interior de los bariones, era necesario utilizar una partícula pequeña, penetrante y fácil de producir. Los electrones eran ideales para esta función, ya que son abundantes y fácilmente acelerados a altas energías debido a su carga eléctrica. En 1968, en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), se dispararon electrones contra protones y neutrones en los núcleos atómicos. [4] [5] [6] Se realizaron experimentos posteriores [2] con muones y neutrinos , pero se aplican los mismos principios. [1] [7]
La colisión absorbe algo de energía cinética y, como tal, es inelástica . Esto contrasta con la dispersión de Rutherford, que es elástica : no hay pérdida de energía cinética. El electrón emerge del núcleo y se puede detectar su trayectoria y velocidad. El análisis de los resultados llevó a la conclusión de que los hadrones sí tienen estructura interna. Los experimentos fueron importantes porque no sólo confirmaron la realidad física de los quarks, sino que también demostraron una vez más que el Modelo Estándar era la vía correcta de investigación que debían seguir los físicos de partículas.