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1 de Diciembre de 2019
Física

¿Cuánto mide el protón?

Un nuevo trabajo apunta al final de una larga polémica sobre el tamaño de esta partícula.

Los físicos están cada vez más cerca de determinar el verdadero tamaño del protón (recreación artística). [Getty Images]

A los científicos les encanta la precisión. Pueden medir la distancia entre la Tierra y la Luna con una incertidumbre de centímetros o incluso milímetros y el período de púlsares distantes con un error de fracciones de microsegundos. Sin embargo, no parece que los átomos cercanos se dejen estudiar con la misma precisión. Los físicos llevan más de medio siglo intentando determinar el tamaño del protón, la partícula con carga positiva que se encuentra en todos los núcleos atómicos. Sin embargo, ese objetivo se ha demostrado terriblemente difícil, y algunos resultados incompatibles entre sí han dejado perplejos a los investigadores. Ahora, una medición ultraprecisa llevada a cabo en la Universidad de York, en Toronto, tal vez haya resuelto el problema.

Un protón mide menos de dos billonésimas de milímetro de ancho, por lo que determinar su radio requiere usar técnicas muy complejas. Una de ellas consiste en disparar un haz de electrones contra un átomo de hidrógeno, cuyo núcleo está compuesto por un único protón; al hacerlo, los distintos ángulos con los que los electrones salen rebotados permiten inferir el tamaño de la partícula. Otra estrategia se basa en la espectroscopía, es decir, en medir la radiación emitida o absorbida por un átomo en varias frecuencias. Por ejemplo, es posible excitar el electrón de un átomo de hidrógeno para que alcance un estado de mayor energía, y estudiar con detalle la frecuencia de la radiación necesaria para que se produzca esa transición. Y, al igual que antes, la magnitud de ese «salto» entre los niveles energéticos puede depender del tamaño del protón.

Distintas mediciones basadas en ambas técnicas y que se remontan a los años cincuenta del siglo pasado fijaron el radio del protón en 0,88 femtómetros (10–15 metros). En 2010, sin embargo, un grupo de investigadores dirigido por Randolf Pohl, por entonces en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching, intentó algo nuevo. Emplearon el método espectroscópico pero no con hidrógeno normal, sino con «hidrógeno muónico»: un tipo especial de hidrógeno en el que el electrón ha sido sustituido por un muon, una partícula de carga negativa y unas 200 veces más masiva que el electrón.

Dado que el muon atrae al protón con más fuerza que el electrón, los niveles de energía del hidrógeno muónico son más sensibles al tamaño del protón y ofrecen resultados más precisos. Además, la transición concreta que estudiaron reveló el radio del protón de manera más directa que otras. Pero, para su sorpresa, Pohl y su equipo hallaron un radio de 0,84 femtómetros: un valor menor de lo esperado y bastante alejado del intervalo de posibles tamaños establecido en experimentos previos.

El resultado de Pohl causó perplejidad. ¿Existía algún error en las mediciones anteriores? ¿O tal vez había algo peculiar en la manera en que los protones interaccionan con los muones? Esta última posibilidad era la más fascinante, ya que implicaría física desconocida y podría exigir una modificación del modelo estándar [véase «El problema del radio del protón», por Jan C. Bernauer y Randolf Pohl; Investigación y Ciencia, abril de 2014]. «Todo el mundo se entusiasma cuando los datos muestran una discrepancia», comenta David Newell, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU. cuyo trabajo se ha centrado en determinar el valor de la constante de Planck, otro parámetro fundamental de la física atómica.

Ese desacuerdo llamó la atención de Eric Hessels, el líder del equipo de la Universidad de York, que hace una década se encontraba en la conferencia donde Pohl anunció sus resultados. Hessels se lo tomó como una especie de reto personal y trabajó para reproducir el experimento con hidrógeno normal en vez de muónico, pero usando la misma transición entre niveles de energía: un salto conocido como «desplazamiento de Lamb», en honor del físico Willis Lamb, quien lo midió por primera vez en los años cuarenta. Parecía claro que una medición precisa del desplazamiento de Lamb en el hidrógeno normal revelaría algo interesante. Si el radio del protón coincidía con el valor obtenido en los primeros experimentos, el resultado podría apuntar a la existencia de nueva física. Si concordaba con el valor que arrojaba el hidrógeno muónico, algo menor, ayudaría a determinar el tamaño del protón y resolvería un rompecabezas que se había prolongado durante casi una década.

Hessels tardó ocho años en dar con la respuesta. «Fue la medición más difícil que jamás hayamos realizado en nuestro laboratorio», explica el investigador. Hessels usó ondas de radio para conseguir la transición asociada al desplazamiento de Lamb y midió la frecuencia precisa para la que se producía dicho salto. Al final, su equipo halló un radio de 0,833 ± 0,010 femtómetros, acorde con la medición de Pohl. Los resultados se publicaron el pasado mes de septiembre en la revista Science.

En esta era de la «gran ciencia» —piense en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y su túnel de 27 kilómetros—, consuela saber que aún es posible obtener resultados importantes con experimentos de sobremesa. De hecho, el montaje de Hessels cabe en una única sala del campus.

No está claro por qué los primeros experimentos habían arrojado un valor mayor para el radio del protón. Una posibilidad es que adolecieran de errores de diseño. Otra, menos probable tras la medición de Hessels, es que la desviación se deba a fenómenos físicos desconocidos. La precisión del resultado del grupo de York y su proximidad al valor de 2010 indican que se está alcanzando un consenso para el radio del protón en torno a los valores más bajos. «Ahora disponemos de varias mediciones y comienzan a apoyar el resultado obtenido con hidrógeno muónico», afirma Hessels. «Así que la controversia está empezando a disminuir.»

Sin embargo, el debate aún no se ha extinguido del todo. Aunque el resultado de Hessels es excepcional —una de las mejores mediciones espectroscópicas realizadas con hidrógeno normal—, el de Pohl es más preciso gracias a la mayor sensibilidad que permite el hidrógeno muónico. Según los investigadores, eso significa que hay margen para experimentos todavía más precisos.

Mientras tanto, el protón aún esconde otros secretos. Por ejemplo, aunque los físicos saben que los protones y los neutrones constan de quarks que se mantienen unidos gracias a la interacción nuclear fuerte, aún ignoran numerosos aspectos de esa unión, recuerda Nilanga Liyanage, físico de la Universidad de Virginia. «Los protones son el material del que estamos hechos», prosigue Liyanage, que ha abordado el rompecabezas del radio del protón por medio de experimentos de dispersión de electrones. «El 99,9 por ciento de nuestra masa, de nosotros mismos y de todo lo que vemos en el universo, proviene de los protones y los neutrones.» Y el radio del protón es un parámetro clave, añade. «Es una partícula de enorme importancia y necesitamos entenderla bien.»

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