La dispersión inelástica profunda es un proceso de dispersión que involucra leptones y hadrones , en el cual el momento transferido y la energía total de los últimos hadrones en el sistema de su centro de inercia ( masa invariante ) es mucho mayor que la masa característica de un hadrón (aproximadamente 1 GeV) [1] . Un ejemplo de dispersión inelástica profunda es la producción múltiple de hadrones en colisiones de electrones o muones de alta energía con nucleones [2] . Se utiliza para sondear el interior de los hadrones (particularmente protones y neutrones )), y dilucidar la dinámica de las interacciones a distancias pequeñas. La dispersión inelástica profunda se realizó por primera vez en las décadas de 1960 y 1970, y proporcionó evidencia concluyente de la realidad de los quarks , que hasta ese momento había sido considerado por muchos como un simple truco matemático.
En el término "dispersión inelástica profunda", la palabra "dispersión" se refiere a la desviación de un leptón (electrón, muón, etc.). La palabra " inelástico " significa que el blanco absorbe parte de la energía leptónica y, como resultado, su estado interno cambia. De hecho, a muy altas energías de los leptones utilizados, el objetivo se "rompe" y muchas partículas nuevas aparecen en su lugar. La palabra "profundo" significa, por un lado, que la energía absorbida por el objetivo es grande en comparación con su masa, y por otro lado, que la longitud de onda de De Broglie del leptón es pequeña y, por lo tanto, es capaz de sondear distancias que son pequeñas en comparación con el tamaño del hadrón objetivo ("en lo profundo" del hadrón)[ especificar ] .
Los leptones no son capaces de la interacción fuerte, solo la electrodébil . Por tanto, la acción del leptón sobre el blanco se reduce al intercambio de fotones virtuales (y/o bosones W y Z ). En el primer orden de la teoría de la perturbación en la constante de interacción electromagnética, el proceso puede considerarse como la emisión de un solo fotón virtual por parte del leptón, que elimina un quark del hadrón (esto se muestra en el diagrama de arriba). Pero los quarks en estado libre no pueden existir debido al confinamiento , por lo que se produce una mayor hadronización , como resultado de lo cual nacen las partículas observadas.
El modelo estándar de la física, en particular el trabajo de Murray Gell-Mann en la década de 1960, unificó con éxito muchos conceptos previamente dispares en la física de partículas en un marco relativamente simple. Había tres tipos de partículas fundamentales en él:
El primer leptón fue descubierto en 1897 cuando D. D. Thomson demostró que la corriente eléctrica es un flujo de electrones. Se han detectado algunos bosones en experimentos dirigidos, aunque las partículas W + , W− y Z0 que llevan la fuerza electrodébil no se detectaron de forma fiable hasta principios de la década de 1980, junto con los gluones, en DESY en Hamburgo . Los quarks, sin embargo, seguían siendo esquivos.
Las ideas para detectar quarks se formularon con base en las ideas de los experimentos pioneros de E. Rutherford en los primeros años del siglo 20. Con base en sus experimentos sobre el sondeo de átomos de oro con partículas alfa , Rutherford demostró que los átomos tienen una pequeña, masiva, cargada núcleo en el centro. La mayoría de las partículas alfa atravesaron la fina capa de materia con poca o ninguna desviación, pero algunas se desviaron en ángulos grandes o rebotaron. Esto sugirió que los átomos tienen una estructura interna compleja y contienen mucho espacio vacío en su interior.
Para estudiar la estructura interna de los bariones, fue necesario utilizar una partícula pequeña, penetrante y de fácil acceso. Los electrones eran ideales para este papel, ya que son abundantes en la naturaleza y se aceleran fácilmente a altas energías debido a su carga eléctrica. En 1968, en SLAC , se llevó a cabo la dispersión de haces de electrones sobre protones y neutrones en núcleos atómicos [3] [4] [5] . Posteriormente, se llevaron a cabo experimentos con muones y neutrinos utilizando los mismos principios .
Durante las colisiones, se absorbía parte de la energía cinética y eran inelásticas . Esto contrasta con la dispersión de Rutherford, que es elástica debido a la ausencia de pérdida de energía cinética. El electrón sale del átomo y se puede detectar su trayectoria y velocidad. Un análisis de los resultados obtenidos llevó a la conclusión de que los hadrones sí tienen una estructura interna. Los experimentos fueron importantes porque no solo confirmaron la realidad física de los quarks, sino que demostraron una vez más que el modelo estándar era la línea de investigación adecuada para los físicos de partículas.