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13 de Noviembre de 2019
Física Nuclear

Otro progreso más en el problema del radio del protón

Una nueva medición reafirma que el protón es más pequeño de lo que se creía en un principio.

 

Una nueva medición del radio del protón parece confirmar que los experimentos que arrojaban un valor menor que el originalmente aceptado estaban en lo cierto [Laboratorio Jefferson del Departamento de Energía estadounidense].

Según un resultado experimental esperado desde hace mucho, el protón es alrededor de un 5 por ciento menor del valor que se dio por bueno durante mucho tiempo. El hallazgo ha incitado una revisión del tamaño oficial de la partícula y parece anunciar el final del «quebradero de cabeza del radio del protón», que desconcierta a los físicos desde 2010.

El resultado, publicado en Nature este 6 de noviembre, le asigna al protón un radio de 0,81 femtómetros. Esta medición, junto con otra que se efectuó con una técnica diferente y que se publicó en Science en septiembre, era conocida por los expertos desde el año pasado. Los hallazgos movieron al Comité de Datos de Ciencia y Tecnología (CODATA), una organización que recoge las mediciones más actualizadas de las constantes fundamentales de la naturaleza, a revisar su compendio de datos a finales de 2018, como explica Krzystof Pachuki, físico teórico de la Universidad de Varsovia que preside uno de los grupos de trabajo de CODATA. Aunque hay investigadores que todavía reaccionan con cautela, cree que los últimos artículos han «resuelto definitivamente el quebradero de cabeza».

Se utilizan principalmente dos técnicas para medir el radio de los protones. Una se basa en las órbitas de los electrones alrededor de los núcleos. Como algunas atraviesan los protones del núcleo, el tamaño de estos afecta a la intensidad del enlace de los electrones con el núcleo. Mediciones precisas de las diferencias entre los distintos niveles de energía de los electrones, técnica que recibe el nombre de espectroscopía, ofrecen, pues, una forma de estimar el radio del protón. La segunda técnica requiere que se golpee los átomos con un haz de partículas para ver cómo se dispersan desde los núcleos.

Cambio radical

Hará diez años, parecía que tanto la espectroscopía como los experimentos de dispersión habían convergido en un radio del protón de 0,8768 femtómetros (millónesimas de una millonésima de milímetro).

Pero en 2010, un giro en la espectroscopía arrojó incertidumbre sobre este consenso idílico. En el Instituto Paul Scherrer, en Villigen, Suiza, unos físicos crearon átomos de hidrógeno exóticos al sustituir los electrones con muones, partícula elemental parecida al electrón pero con una masa 200 veces mayor. Como los muones pasan más tiempo dentro del protón, sus niveles de energía están mucho más afectados que los de los electrones. Por ello, las mediciones muónicas del radio del protón deberían ser millones de veces más precisas que las hechas con el hidrógeno ordinario. El equipo midió un radio del protón de 0,84184 femtómetros.

Randolf Pohl, que dirigió la medición del hidrógeno muónico y pertenece ahora a la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, ha colaborado en otros experimentos muónicos que confirmaron su valor. Por un tiempo, los investigadores tuvieron la esperanza de que la discrepancia descubriese una diferencia antes desconocida en cómo se comportan muones y electrones, algo que subvirtiese la teoría cuántica de los fenómenos electromagnéticos vigente.

Más recientemente, sin embargo, unos experimentos espectroscópicos mejorados, con hidrógeno ordinario, encontraron también un protón más pequeño, lo que daba a entender que los muones no debían de ser tan especiales. Empezaba a borrarse el vislumbre de una revolución en la física. Estos empeños culminaron con el artículo de Science. Un equipo de científicos, tras tirarse ocho años perfeccionando una técnica espectroscópica, obtuvieron un radio de 0,833 femtómetros, compatible con el valor de los experimentos muónicos.

Pero otro experimento espectroscópico, más tradicional, realizado en la Sorbona de París había seguido arrojando un valor discrepante con el muónico. Y nadie podía explicar por qué la técnica de la dispersión apuntaba a un protón mayor. Ahora, por primera vez, un experimento de dispersión se inclina por el protón más pequeño.

Precisión mejorada

El último experimento, llamado PRad, utilizó un acelerador de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, en Newport News, Virginia. PRad dispara un haz de electrones a moléculas de hidrógeno y mide la desviación de algunos electrones. Experimentos de dispersión anteriores utilizaron haces de electrones de alta energía, cuya sensibilidad al radio del protón es limitada, y para determinar este extrapolaban lo que ocurriría a energías menores. Tenían, pues, que recurrir a suposiciones teóricas, que quizá sesgaban los resultados finales. Pero las energías menores de PRad eluden ese problema.

Para mejorar aún más la precisión, PRad inyectó sus moléculas de hidrógeno directamente en el conducto vacío por el que circula el haz de electrones, en vez de mantenerlo en un contenedor metálico tal y como muchos experimentos anteriores hacían. Así, ningún electrón tocaba metal y confundía la medición. Además, el equipo medía simultáneamente no solo cómo se dispersaba el haz en los protones del hidrógeno, sino también en sus electrones. Gracias a la comparación de los dos tipos de dispersión, se compensaban las fluctuaciones de la densidad del hidrógeno, otra gran fuente de error, procedimiento del que Pohl dice que es «muy hábil».

Ashor Gaspaian, físico de partículas y nuclear de la Universidad A&T del Estado de Carolina del Norte, en Greensboro, y portavoz de PRad, cree que todavía se puede mejorar el experimento para que sea más preciso.

Pero a Jan Bernauer, físico de la Universidad de Stony Brook, en Nueva York, que dirigió mediciones de dispersión anteriores que vieron un protón mayor, no le convencen del todo los resultados de PRad. «No creo que el quebradero de cabeza ya esté resuelto por completo, pero sí que hemos logrado algunos grandes avances». Dice que hay experimentos en preparación, entre ellos uno que va a comenzar en el Paul Scherrer, que seguramente lo resolverán de una vez por todas.

Los teóricos se han vuelto locos pergeñando teorías para explicar la presunta anomalía del muon, así que el final de esta historia sumirá en la melancolía a muchos físicos. «No me parece que haya ya esperanza alguna de que la discrepancia en el radio del protón pueda deberse a algún fenómeno físico desconocido», dice Pohl. Pero, añade, los experimentos pensados para lograr aún otro orden de magnitud en la precisión podrían dar con desviaciones más pequeñas con respecto a la teoría establecida. «Todas esas ideas no se disipan solo porque las mediciones concuerden». 

Davide Castelvecchi / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment», de W. Xiong et al. en Nature 575, páginas 147–150 (2019).

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