Durante un tiempo se pensó que los protones y neutrones (partículas que componen los núcleos atómicos) eran fundamentales. Es decir, no estaban compuestos de partículas más pequeñas o como se suele decir, carecen de estructura interna. Pero en los años 80 se repitió el experimento de Rutherford con los protones para averiguarlo.
El experimento de Rutherford (o experimento de la lámina de oro) original trataba de ver la estructura interna de los átomos. Fue llevado a cabo en la University of Manchester en 1909. Se trataba de ratificar el modelo atómico de Thomson que suponía que los átomos eran cargas positivas muy grandes con cargas negativas embebidas, del mismo modo que trocitos de chocolate en un pastel.
El modelo del experimento consiste en bombardear una muestra con partículas alfa (que son núcleos de Helio) y ver lo que ocurre. Para ver lo que ocurre, se rodea la muestra que en este caso era una finísima lámina de oro de una pantalla de sulfuro de zinc, que tiene la peculiaridad de emitir fosforescencia cuando impacta una partícula alfa contra ella. Si el modelo de Thomson era cierto entonces la mayoría de los átomos deberían colisionar contra la lámina y salir despedidos hacia atrás. Pero lo que se vió fue que la mayoría de las partículas alfa conseguían atravesarla sin modificar su trayectoria. Que un pequeño porcentaje era desviado levemente y que menos todavía eran repelidas hacia atrás.
La conclusión del experimento de Rutherford es que la lámina de oro está prácticamente compuesta de espacio vacío. Que los átomos están muy separados y que su estructura interna no tiene nada que ver con la de Thomson. Las pocas partículas desviadas era porque pasaban lo bastante cerca de los núcleos de oro para ser desviadas por repulsión electrostática y las que eran reflejadas era porque colisionaban con el núcleo. Gracias a este experimento Rutherford se replanteó un nuevo modelo atómico que se parece bastante a la imagen mental que todos tenemos en la cabeza cuando pensamos en "átomo". Un núcleo con electrones orbitando como si fueran los planetas alrededor del Sol. Y si bien hoy sabemos que no es tan literal como el Sistema Solar, la idea no es tan descabellada.
Cuando se planteó si el protón tenía estructura interna, la idea fue comprobarlo de una forma similar. Haciendo incidir un haz de partículas que reproducirían un comportamiento similar al que vieron Rutherford y sus compañeros en 1909. El proceso para poder ver el interior de los protones (y en general de cualquier hadrón) se llama Dispersión Inelástica Profunda (D.I.P. en adelante) y consiste, como he explicado anteriormente, en la idea del experimento de Rutherford. Aunque en el caso de Rutherford la dispersión es elástica porque no se pierde energía cinética si consideramos que los núcleos retroceden al colisionar. En este caso, es inelástica porque como resultado de la colisión se absorbe energía.
Para conseguir un experimento de D.I.P. hace falta conseguir un haz de partículas mucho más pequeñas que las que componen la muestra (lo cual es obvio porque deben atravesarlas), posteriormente incidir sobre la muestra y ser dispersadas (o no). Los electrones fueron los candidatos perfectos en este caso, porque al ser de carga opuesta y tener una masa 2000 veces menor a la de los protones son fácilmente dispersados por éstos. Además, conseguir un haz de electrones es relativamente sencillo. Todas las televisiones de tubo tienen un cañón de electrones que son desviados convenientemente para impactar en una lámina de fósforo que se ilumina.
Pues con esta idea en mente, se realizaron los experimentos y se observó que los protones tienen estructura interna. Repitiendo el experimento con otros hadrones se observó que únicamente se daban dos casos: para unos hadrones existían tres regiones con densidades de carga eléctrica (puntos que hacían desviarse a los electrones) y para otros solamente dos. Esto corresponde a los dos tipos de hadrones que existen: bariones (compuestos por 3 quarks) y mesones (compuestos de 1 quark y 1 antiquark). Y más aún, estas densidades de carga son puntuales y con carga fraccionaria.
Estos experimentos fueron fundamentales para demostrar que los quarks existían en realidad y reforzar el Modelo Estándar como aquel más acertado para describir la física de partículas.
Referencias: