La imagen estándar del núcleo del átomo es la de varios nucleones distintos, compuestos a su vez de quarks. Sin embargo, me parece que una imagen mucho más simple es que el núcleo está hecho directamente de quarks, sin tener nucleones como subestructuras. Es decir, que el núcleo es el estado fundamental de un plasma de quark-gluones. No encuentro ninguna prueba de que esto sea falso. Por ejemplo, si las distancias entre los nucleones fuera significativamente mayor que el tamaño de los nucleones, habría una diferencia de tamaño entre el hidrógeno y otros átomos que no puede ser explicada por este nuevo marco, pero según wikipedia el diámetro de todos los núcleos es del mismo orden de magnitud. ¿Cuál es la evidencia de que los núcleos grandes tienen nucleones como subestructuras?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Porque las energías de interacción dentro del núcleo son muy bajas, y cuando realizamos experimentos con nucleones a esas energías se comportan principalmente como partículas discretas.
Tomemos como ejemplo reacciones de eyección cuasi-elástica de nucleones como $A(e,e'p)$ (es decir, un electrón que se dispersa en un núcleo y elimina limpiamente un protón sin excitar o romper el resto). La cifra de mérito de este tipo de reacciones es $Q^2 = -q \cdot q$ y entre $1$ -- $8\text{+ GeV}^2$ (el límite superior aún no se conoce experimentalmente) la sección transversal para esto (por protón objetivo) es a constante veces la sección transversal de la reacción libre $p(e,e'p)$ . La constante se denomina "transparencia nuclear" y expresa la probabilidad de que el protón dispersado vuelva a interactuar antes de abandonar el núcleo.
Véase esta figura de mi tesis doctoral 
Los núcleos (mostrados por diferentes formas y colores de marcador) son deuterio, carbono, hierro y oro, y los diferentes estados de relleno y tamaños de los marcadores representan tres experimentos. Las barras de error se muestran para todos los datos y representan la estadística más la sistemática punto a punto (pero no la sistemática que desplazaría todos los datos de un solo núcleo). Las líneas continuas son un cálculo Glauber modificado.
Una gran parte de lo que hacen en el laboratorio Jefferson es buscar el cambio entre los grados de libertad nucleón--mesón (descritos razonablemente bien por la hadrondinámica cuántica) y los grados de libertad quark--gluón (descritos por la cromodinámica cuántica ); pero incluso el comportamiento dominado por la QCD no se corresponde con el plasma de quarks y gluones que se produce a energías mucho mayores.
¿Cuáles son las pruebas de que los núcleos grandes tienen nucleones como subestructuras?
En tabla periódica de elementos? Esto muestra una subestructura interna organizada en nucleones, es decir, tripletes de quarks en representaciones SU(2):
Las masas atómicas de la tabla son múltiplos porcentuales de la masa del nucleón (la energía de enlace se encarga de ello). Un plasma de quarks y gluones no mostraría esta cuantización aproximada en múltiplos de tripletes.
Un plasma de quarks y gluones no estaría limitado de esta manera.
Hay experimentos que buscan las firmas de un plasma de quarks y gluones. He aquí una reseña en dichas firmas.
dmckee trata el tema desde una perspectiva experimental, pero también se puede abordar desde la perspectiva teórica de la cromodinámica cuántica (QCD), que explica por qué los resultados experimentales son como son.
Uno de los principios fundamentales de la QCD es el "confinamiento", lo que significa que la fuerza fuerte entre los quarks, mediada por los gluones, es tan omnipresente que ninguno de los cinco tipos de quarks que no son quarks top (los quarks top decaen tan rápidamente que no tienen tiempo de formar estructuras compuestas, lo que se denomina hadronización, antes de decaer) se observa nunca en la naturaleza fuera de un "hadrón" (una partícula compuesta formada por quarks unidos por gluones). generalmente tres quarks (uno de cada una de las tres cargas de color QCD) en un "barión" o un quark y un antiquark unidos en un "mesón". Los bariones son "fermiones" de espín $-1/2 + N$ (un número entero), lo que significa que se comportan como la materia ordinaria (es decir, simplificando demasiado, no puede haber dos de ellos en el mismo lugar al mismo tiempo), mientras que los "mesones" tienen espín entero N, por lo que, simplificando demasiado, más de uno puede estar en el mismo espacio al mismo tiempo.
En principio, la QCD permite cuatro o más partículas compuestas de quarks (tetraquarks, pentaquarks, etc.) y se ha observado un puñado de ellas, pero en la práctica, las partículas compuestas de cuatro o más quarks son extremadamente inestables y difíciles de crear en primer lugar, por lo que incluso en el entorno enrarecido de un colisionador de partículas se ven casi exclusivamente mesones y bariones.
Un plasma de quark-gluón puede "falsear" la clasificación de los quarks en hadrones confinados, que de otro modo sería bastante automática y completa, sólo a energías extremadamente altas, porque la fuerza fuerte les obliga a permanecer dentro de un hadrón concreto. Así, en el entorno "infrarrojo" que encontramos en la vida cotidiana o incluso en aplicaciones de muy alta energía, la temperatura no es suficiente para superar la tendencia de la fuerza fuerte a unir los quarks en hadrones.
¿Cómo de caliente tiene que estar?
La temperatura de cruce es de aproximadamente $2 \cdot 10^{12} \mathrm K$ lo que corresponde a una densidad energética algo inferior a $1 \mathrm{GeV/fm^3}$ (es decir, la temperatura tiene que aportar una densidad de energía cinética comparable en cantidad a la densidad de energía de los gluones en un protón o neutrón para superar sus garras). Esto es más de cien veces más caliente que lo más caliente que hace en cualquier lugar dentro del Sol (que es alrededor de $1.5 \cdot 10^{10} \mathrm K$ ).
¿Tan difícil es conseguir algo tan energético?
La primera vez que los humanos fueron capaces de crear artificialmente esas densidades de energía fue en 2015 en el Gran Colisionador de Hadrones (aunque ya en 2005 se vieron indicios no definitivos de que podríamos haberlo hecho en otros colisionadores). En los cuatro o cinco mil millones de años transcurridos desde la creación del sistema solar, nada había estado tan caliente.
Ahora bien, también resulta que de los cientos de bariones y mesones posibles, ningún mesón tiene una vida media de más de una diezmillonésima de segundo, y sólo dos tipos de bariones tienen vidas medias de más de diez milmillonésimas de segundo. El protón (formado por dos quarks up y un quark down ligados por gluones) no decae, y el neutrón (formado por un quark up y dos quarks down) tiene una vida media de unos 15 minutos si está libre (y puede ser potencialmente estable en el tipo adecuado de núcleo atómico, debido sobre todo a consideraciones de conservación de masa-energía en un núcleo ligado).
Así pues, la razón teórica por la que los núcleos atómicos no son plasmas de quarks-gluones es porque (1)(a) a temperaturas suficientemente frías y (1)(b) dada la diminuta fracción de segundo necesaria para que un hadrón inestable decaiga, (2) sus quarks constituyentes son forzados a formar hadrones y (3) los hadrones decaen hasta que sólo constan de protones y neutrones estables (colectivamente nucleones).
Un efecto residual de la fuerza fuerte (mediada principalmente por un tipo de mesón llamado pión que se intercambia entre los nucleones) une a los nucleones en un núcleo atómico, pero con mucha menos fuerza entre sí que la que ejerce la fuerza fuerte sobre los quarks de los nucleones.
Ahora bien, esa fuerza de enlace en sí no es nada del otro mundo: es la fuente de toda la energía creada por la fusión nuclear en una bomba H o en una estrella como el Sol, y la fisión nuclear en una bomba A o en un reactor nuclear. Pero la fuerza fuerte que une a los quarks en el interior de los protones y neutrones es mucho más fuerte, y por eso se necesitan condiciones tan extremas para superarla.
- Advertencia: existen múltiples formas, cada vez más complejas, de describir lo que ocurre en un hadrón. Además de los "quarks de valencia" ligados intercambiando gluones que he descrito anteriormente, también hay un "mar" de pares quark-antiquark que se anulan para muchos propósitos, pero que no se pueden ignorar si quieres hacer chocar protones a altas velocidades o si quieres calcular la masa de un hadrón a partir de los primeros principios. Así, por ejemplo, se podrían aplastar protones sólo para descubrir que los quarks extraños o charm o bottom se desprenden si la colisión tiene suficiente energía, aunque ninguno de los quarks de valencia de un protón sea de ese tipo. Pero ese nivel de complejidad no es necesario para comprender teóricamente, basándose en la QCD, por qué los quarks de un núcleo atómico se subdividen en protones y neutrones.
Del mismo modo que sabemos que el vapor de agua se compone de minúsculas gotitas de agua (líquida). Existe un potencial de fase asociado expresado como tensiones superficiales que determinan el límite entre los distintos estados de condensación de la materia. No hay más distinción por encima de esto.
Si acaso, puedes entender los nucleones individuales como una aproximación adiabática válida cuando las energías y los tiempos de interacción están por debajo de las escalas en las que la libertad asintótica domina sobre el confinamiento (que es el hito que define un verdadero plasma de quark-gluones). En otras palabras, las reacciones de baja energía tendrán reacciones nucleares dominantes que producirán principalmente subproductos estables porque tienen tiempo de termalizarse antes de abandonar el núcleo. Pero esos subproductos más estables son en sí mismos los nucleones (protones, neutrones y agregaciones de éstos, es decir:alfa). En ese sentido, podemos decir que "hay nucleones" pero sólo porque son formas particularmente estables que se producirán en la mayoría de las reacciones, salvo en las más energéticas, en las que esa aproximación adiabática ya no sería válida
Los experimentos de dispersión son los que nos informan sobre la subestructura en física atómica y nuclear. Cuanto mayor es la energía de la sonda (normalmente una partícula cargada), más fina es la resolución y, por tanto, más subestructura se puede ver. En el caso de los núcleos, este proceso revela los nucleones como subestructura. En el caso de los propios nucleones, reveló la existencia de 3 "partons" y un "mar" de fondo. Ahora conocemos a estos partons como quarks y gluones, pero los llamemos como los llamemos, los vimos primero como características puntuales en las distribuciones que obtuvimos de los primeros experimentos de dispersión.
Las pruebas experimentales de la subestructura suelen proceder de la dispersión.
