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14/9/19 - DJ:

Para los físicos, el tamaño del protón, importa

T.E.L: 3 min.

Nueva medición del radio de un protón publicada en Science.


En 2010 un grupo de físicos de Alemania (Instituto Max Planck) liderados por Randolf Pohl, hizo un experimento por el que se llegó a la conclusión de que el protón era más chico de lo considerado hasta ese momento, un 4% menor (0,84 femtómetros). Pero lo que hizo ruido en la comunidad científica fue que el experimento no se hizo con un átomo de hidrógeno convencional, aquellos que poseen un protón y un electrón, sino en un átomo que tenía un muón orbitando al núcleo. Los muones son partículas como los electrones, pero mucho más pesados. La conclusión adicional fue que quizás los protones se achican en presencia de muones. A eso se le llamó "el rompecabezas del tamaño del protón".

Ahora se publicó un nuevo trabajo, realizado por físicos de la Universidad York de Toronto, que arroja un resultado similar (0,833 femtómetros, +/- 0.01), pero que se hizo de la forma tradicional, es decir, con un átomo de hidrógeno electrónico, con un electrón y no un muón.
El resultado es importante porque descartaría la posibilidad de que el protón cambie de tamaño, aunque queda el misterio de por qué las mediciones hasta 2010 daban por encima de ese valor (0,88).

Unidad de medida
1 femtómetro (fm) = 0,000 000 000 000 001 metro
1 fm = 10−15 m
Al femtómetro también se le dice Fermi.

La medición de un protón
Un protón es una partícula compuesta por otras, quarks y gluones, y no es como una pequeña bola de ping-pong. Medir su tamaño, a través de su radio no es tarea fácil. Se usa el "Cambio de Lamb", que es la diferencia entre los niveles de energía del hidrógeno llamados 2S y 2P. Este cambio de energía debe su nombre al físico Willis Lamb, quien intentó medirlo en 1947 y funciona así:
Cuando un electrón orbita al protón en el estado 2S, pasa parte del tiempo dentro del protón. En esos momentos, la carga del protón tira del electrón en dirección opuesta, cancelándose parcialmente. Como resultado, la cantidad de atracción eléctrica entre los dos disminuye, reduciendo la energía que une al átomo. Cuanto más grande sea el protón, mayor tiempo pasará el electrón en su interior, menor será la unión del electrón y más fácilmente puede escapar a otro estado.

Estos gráficos muestran la probabilidad de que el electrón se encuentre en ciertas partes del átomo en cada estado. Es más probable en las zonas claras y menos en las oscuras.

Al disparar un láser hacia una nube de gas hidrógeno, Eric Hessels y sus colegas, causaron que los electrones saltaran del estado 2S al 2P, donde el electrón nunca se superpone con el protón. Deducir la energía requerida para hacer ese salto revela cuán débil era la unión anterior, al residir parcialmente en el protón. Y eso permite inferir el radio del protón.
En 2010, Pohl siguió la misma lógica, pero como los muones son más masivos, se amontonan alrededor de los protones más fuertemente en el estado 2S que los electrones, por lo que pasan más tiempo superpuestos, haciendo que el cambio de Lamb en un hidrógeno muónico sea millones de veces más sensible al radio del protón que en el hidrógeno regular.

En el número de junio de la revista del CERN, Mark Rayner reportaba diferentes resultados sobre el radio del protón y anunciaba que se estaba por publicar un nuevo trabajo realizado por Eric Hessels. En ese reporte (que era parte de una nota mayor), se señalaba también que en 2017 Axel Beyer y colegas de Max Planck habían publicado un resultado de 0,8335 fm de observaciones en la transición 2S-4P en hidrógeno ordinario (no muónico).
Sin embargo, estos resultados se obtienen con análisis espectroscópicos, mientras que otros experimentos usan la técnica de "scattering" o dispersión. Se supone que los experimentos por dispersión arrojaban un resultado mayor porque no eran suficientemente precisos. Datos preliminares del experimento Proton Radius Experiment (pRad), que usa dispersión, en 2018 indicaban un radio de 0,83fm. Con más mediciones en la misma línea, se descartaría el cambio de tamaño del protón, lo que deja a los físicos con un sabor amargo, ya que era más que interesante pensar que el protón modificara su radio según la partícula que lo orbite.

Tal y como parece hasta ahora, el protón no toma la píldora azul, sino la roja.


Fuentes y enlaces relacionados
Physicists Finally Nail the Proton’s Size, and Hope Dies, por Natalie Wolchover
https://www.quantamagazine.org/physicists-finally-nail-the-protons-size-and-hope-dies-20190911/

The proton, a century on
https://alumni.cern/news/198304

THE PROTON LAID BARE, Amanda Cooper-Sarkar, University of Oxford
Cern Courier, Volume 59, Number 3, May/June 2019, pp 38-43
https://cerncourier.com/p/magazine/

A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius
N. Bezginov1, T. Valdez1, M. Horbatsch1, A. Marsman1, A. C. Vutha2, E. A. Hessels1,*
Science 06 Sep 2019:
Vol. 365, Issue 6457, pp. 1007-1012
DOI: 10.1126/science.aau7807

Sobre las imágenes
Imagen inicial. Crédito: CERN.
Gráfico hidrógeno: Wikimedia
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydrogen_Density_Plots.png
Imagen final en base a:
https://soyplastic.net/2015/11/el-dilema-de-l-pastilla-azul/

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