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16 de Septiembre de 2019
Física nuclear

¿Se ha resuelto por fin el problema del radio del protón?

Una medición reciente parece descartar una anomalía que, desde hacía una década, venía dando esperanzas a los investigadores en su búsqueda de nueva física.

En el interior del protón, además de tres quarks básicos «de valencia», hay un mar de quarks, antiquarks y gluones que se crean y destruyen constantemente, como ilustra esta recreación. [Daniel Domínguez/CERN]

En 2010, una colaboración multinacional anunció que había llevado a cabo una medición extraordinariamente precisa del tamaño del protón (uno de los constituyentes, junto con el neutrón, de los núcleos atómicos). El resultado era muy desconcertante.

Randolf Pohl, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, y sus colaboradores midieron el protón empleando «átomos de hidrógeno» especiales, en los que el electrón que normalmente orbita alrededor del protón había sido reemplazado por un muon, una partícula idéntica al electrón pero 207 veces más masiva. El equipo de Pohl descubrió que los protones orbitados por muones tenían un radio de 0,84 femtómetros, es decir, que eran un 4 por ciento más pequeños que los protones del hidrógeno común (cuyo tamaño se calculó a partir de la media de más de dos docenas de mediciones anteriores).

Si esa discrepancia fuera real, significaría que los protones disminuyen de tamaño en presencia de los muones. Eso implicaría la existencia de interacciones físicas desconocidas entre ambas partículas, lo que constituiría un descubrimiento fundamental. En los cerca de diez años que han pasado desde entonces, se han escrito cientos de artículos que especulan sobre esa posibilidad.

Pero las esperanzas de que el «rompecabezas del radio del protón» diese un vuelco a la física de partículas y revelase nuevas leyes de la naturaleza se han visto frustradas por una nueva medición, publicada el 6 de septiembre en la revista Science.

Tras el resultado que obtuvo Pohl hace nueve años con el hidrógeno muónico, un equipo de físicos dirigido por Eric Hessels, de la Universidad York, en Toronto, se propuso volver a medir el protón en el hidrógeno «electrónico» ordinario. Y por fin tenemos los resultados: Hessels y compañía han obtenido un radio de 0,833 femtómetros, con un error de unos 0,010 femtómetros, un valor perfectamente compatible con el de Pohl. Ambas mediciones son más precisas que los intentos anteriores y sugieren que el protón no cambia de tamaño en función del contexto; más bien, parece que las mediciones previas realizadas en el hidrógeno electrónico eran incorrectas.

Pohl, que se enteró del resultado preliminar de Hessels en una conferencia celebrada en el verano de 2018, lo consideró «un resultado fantástico», aunque «apunte a la explicación más prosaica» para el rompecabezas del radio del protón.

Del mismo modo, Hessels afirmó que tanto él como sus colaboradores estaban muy contentos de que su valor «concordase con la medición extremadamente precisa [realizada por Pohl] en el hidrógeno muónico», a pesar de que el resultado sea un tanto agridulce. «Sabemos que todavía no entendemos todas las leyes de la física», comentó, «así que tenemos que investigar todas estas cosas que podrían proporcionarnos pistas».

Investigar el radio del protón no era ni mucho menos trivial. Para deducir su valor, Hessels y su equipo tuvieron que medir el efecto Lamb: la diferencia de energía entre los dos primeros estados energéticos excitados del hidrógeno, denominados 2s y 2p. Hessels asegura que quería medir el efecto Lamb desde que estudiaba la carrera, allá por los años 80, pero el rompecabezas del radio del protón le dio el empujón definitivo para hacerlo. «Se trata de una medida muy difícil», explica. «Necesitaba un buen motivo.»

El efecto Lamb, llamado así en honor al físico estadounidense Willis Lamb, quien intentó medirlo por vez primera en 1947, revela el radio del protón de la siguiente manera: cuando un electrón orbita alrededor del protón en el estado 2s, pasa parte del tiempo dentro del protón (que es una colección de partículas elementales llamadas quarks y gluones, con una gran cantidad de espacio vacío).

Cuando el electrón se encuentra dentro del protón, la carga de este tira del electrón en direcciones opuestas y se cancela parcialmente. Como resultado, la atracción eléctrica entre ambas partículas disminuye y se reduce la energía que mantiene unido el átomo. Cuanto más grande sea el protón, más tiempo pasará el electrón dentro de él, menos ligado estará el electrón y más fácilmente podrá escapar.

Hessels y su equipo hicieron incidir un láser sobre una nube de hidrógeno gaseoso, provocando que los electrones saltaran del estado 2s al 2p, donde el electrón y el protón nunca se superponen. Determinar la energía necesaria para que el electrón efectuara este salto les permitió saber cómo de ligado estaba en el estado 2s, cuando residía parte del tiempo dentro del protón. Y eso les permitió calcular directamente el tamaño de este último.

En 2010, Pohl había seguido la misma estrategia para deducir el radio del protón a partir del efecto Lamb en el hidrógeno muónico. Pero como los muones son más masivos, en el estado 2s se apiñan más alrededor de los protones que los electrones. Eso significa que pasan más tiempo dentro del protón, haciendo que el efecto Lamb sea varios millones de veces más sensible al radio del protón en el hidrógeno muónico que en el ordinario.

Debido a ello, para poder deducir un valor preciso del radio del protón, Hessels tuvo que medir la diferencia de energía entre los estados 2s y 2p con una precisión de unas pocas partes por millón.

El nuevo resultado implica que los intentos anteriores de medir el radio del protón en el hidrógeno electrónico arrojaron resultados por encima del valor real, pero no está claro por qué. Puede que algunos investigadores continúen mejorando y verificando las mediciones del tamaño del protón para acabar de resolver el rompecabezas, pero Hessels ya ha conseguido lo que se proponía. «Estamos desmontando nuestro instrumento», desvela.

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius», N. Bezginov et al. en Science, vol. 365, n.º 6457, págs. 1007-1012, 6 de septiembre de 2019.

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