Una cámara de vacío utilizada para medir las transiciones electrónicas en el hidrógeno atómico, a partir de la cual se dedujo el tamaño del protón.
Axel Beyer/MPQ
Por fin hemos determinado el tamaño de un protón. Más de 15 años después de que un experimento sacudiera inesperadamente el mundo de la física de partículas, los investigadores están recuperando el conocimiento de una de las propiedades más básicas de esta partícula fundamental.
Mira a tu alrededor y todo lo que veas estará lleno de protones. El protón es un componente fundamental de nuestro mundo y, hasta 2010, pensábamos que lo entendíamos bastante bien. Conocíamos su composición (está formado por tres quarks) y conocíamos su tamaño.
Luego, una medición basada en un átomo de hidrógeno exótico mostró que el protón en realidad puede ser alrededor de un 4 por ciento más pequeño de lo esperado. Los físicos se apresuraron a explorar fuentes de errores experimentales, así como teorías sobre nuevos fenómenos físicos que podrían resolver este “enigma del radio de los protones”. En 2019, otro experimento reforzó la evidencia de que durante mucho tiempo se había sobreestimado el tamaño del protón.
Ahora, es posible que la cuestión finalmente haya sido resuelta mediante un par de experimentos complementarios que hacen que la defensa del protón más pequeño sea más convincente que nunca. Revelaron que el protón tenía un radio de aproximadamente 0,84 femtómetros, o menos de una millonmillonésima parte de un metro.
“Cuando miras esos datos, ¿cuánto dinero estás dispuesto a apostar a que el radio del protón es el que es? Para mí, personalmente, en este momento, con estas mediciones, las probabilidades de apuestas aumentan significativamente”, dice Dylan Yost de la Universidad Estatal de Colorado, quien trabajó en uno de los experimentos.
Para determinar este radio, ambos experimentos se centraron en los átomos de hidrógeno porque cada uno de ellos tiene sólo un protón y un electrón. Las dos partículas tienen cargas eléctricas opuestas, por lo que ejercen fuerzas electromagnéticas entre sí, y esta interacción afecta las energías que cada partícula puede tener dentro del átomo. Pero esta interacción depende del tamaño del protón, lo que significa que una forma de encontrar las dimensiones exactas de un protón es medir cómo un electrón en el mismo átomo se mueve de un estado energético a otro.
Los dos equipos de investigación hicieron precisamente eso: utilizaron láseres para controlar los electrones de los átomos de hidrógeno. Entre ellos, midieron las transiciones de tres electrones entre energías que nunca antes se habían medido.
A partir de esto, calcularon el radio del protón, y sus números no solo coincidieron entre sí, sino también con esa trascendental medición de 2010. “Es 1775956629 Es muy, muy poco probable que todavía exista este enigma del radio de los protones”, afirma Lothar Maisenbacher, de la Universidad de California, Berkeley, que formó parte del segundo experimento, que se llevó a cabo en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Alemania.
Esto no es poca cosa: el tipo de experimentos que llevaron a cabo Maisenbacher y sus colegas son notoriamente difíciles. Los átomos de hidrógeno deben colocarse en un vacío perfecto; Los láseres necesarios suelen ser caros y deben calibrarse con mucho cuidado. Si bien tres o cuatro semanas pueden ser suficientes para recopilar datos, pueden llevar años catalogar y comprender todas las posibles fuentes de perturbaciones y errores que podrían colarse en la medición final. Además, estos experimentos tienden a ser altamente especializados en cómo manipulan exactamente el hidrógeno, por lo que rastrear la razón precisa por la que sus hallazgos podrían divergir es típicamente muy difícil, dice Maisenbacher.
Pero cuando sus hallazgos coinciden, esta diversidad de enfoques es una fortaleza porque un efecto que se origina con algún fallo instrumental específico no aparecería en los experimentos, dice Juan Rojo de la Universidad Vrije de Ámsterdam en los Países Bajos. “El radio del protón debería ser una propiedad universal; debería dar el mismo resultado sin importar cómo se mire. Por eso estos dos artículos son bastante interesantes, porque ofrecen perspectivas diferentes del mismo número”, afirma.
La mayor certeza en el tamaño del protón es especialmente importante para afinar las teorías sobre nuevas partículas que podrían descubrirse estudiando el comportamiento del electrón del hidrógeno, dice Yost. De hecho, el experimento MPQ ya era lo suficientemente preciso como para probar las predicciones de nuestro mejor modelo matemático actual, llamado electrodinámica cuántica, con una precisión de 0,5 partes por millón. El equipo no encontró ninguna discrepancia (nada que indicara nuevas fuerzas o partículas), pero Rojo dice que los dos experimentos allanaron el camino para que estudios similares se conviertan en una parte importante de la investigación en física de partículas.
Mientras que los colisionadores de partículas gigantes pueden buscar nuevas partículas pesadas, estos experimentos de mesa con átomos de hidrógeno y láseres podrían buscar partículas muy ligeras que de otro modo permanecerían ocultas, dice Yost. “Ahora que tenemos confianza en que realmente entendemos lo que está pasando, podemos decir, OK, ¿qué tipo de límites podemos poner a la nueva física?” él dice.
Temas:
física de partículas/física cuántica