Un protón es algo complicado de medir. No tiene un borde duro, ni una superficie sobre la que se pueda colocar una regla, sólo una mancha de carga positiva (un cabello de menos de una billonésima parte de un metro de ancho). Durante una década, los físicos no pudieron ponerse de acuerdo sobre cuán amplia era exactamente esa mancha, y el desacuerdo era lo suficientemente pequeño como para parecer trivial y lo suficientemente grande como para amenazar el libro de reglas de todo el universo. Ahora un equipo de Colorado dice que tiene la respuesta, y la respuesta es tranquilizadoramente aburrida.
El número al que llegaron es aproximadamente 0,84 femtómetros, más o menos. Sus colegas del Instituto Max Planck, trabajando el problema desde un ángulo diferente, llegaron a la misma conclusión casi exactamente al mismo tiempo.
Para entender por qué alguien perdió el sueño por unas pocas milésimas de femtómetro, hay que remontarse a la extraña visión doble que se abrió alrededor de 2010. Mida el radio de un protón utilizando hidrógeno ordinario y su electrón, y obtendrá un valor. Si se cambia ese electrón por un muón, un primo más pesado que orbita mucho más cerca, el protón de repente parecerá más pequeño. El equipo de la Universidad Estatal de Colorado tiene una forma hogareña de expresarlo: imagine medir su casa con una cinta métrica y luego nuevamente con un láser, y obtener dos tamaños diferentes. Ambas herramientas son válidas. La casa no se ha movido. Entonces, ¿qué pasa?
Ese desajuste se conoció como el rompecabezas del radio de los protones, y durante años tuvo un tentador olor a nueva física. Quizás alguna fuerza no descubierta estaba empujando al muón y al electrón de manera diferente.
El grupo CSU, dirigido por el profesor asociado Dylan Yost, persiguió el rompecabezas con láseres en lugar de lógica. Produjeron un haz de hidrógeno atómico en una cámara de vacío y luego utilizaron luz ultravioleta para empujar los electrones de los átomos entre niveles de energía. Debido a que el tamaño de un protón deja una débil huella digital sobre exactamente dónde se ubican esos niveles de energía, se puede trabajar hacia atrás desde el comportamiento del electrón hasta el tamaño de la cosa que orbita.
“Nuestra prueba muestra una concordancia precisa con la teoría sobre el tamaño de un protón con niveles de precisión de partes por billón, eliminando la posibilidad de que una nueva fuerza o partícula sea responsable de la discrepancia en este caso”, dice Yost. “Eso habría cambiado significativamente el modelo estándar y es algo que los investigadores estaban buscando”. Luego, casi disculpándose: “Sin embargo, ese no parece ser el caso en este caso”.
Resulta que lo difícil fue el hidrógeno mismo. Los átomos en un rayo son pequeñas cosas veloces y no permanecen en el láser el tiempo suficiente para dar una lectura clara. “Estos átomos se mueven muy rápido y no interactúan con el láser por mucho tiempo, lo que puede eliminar las señales que estamos buscando”, dice Ryan Bullis, estudiante de doctorado y primer autor del artículo. Su solución, la primera de su tipo para este propósito, fue golpear los átomos con dos campos láser a la vez. “Desarrollamos una nueva técnica que utiliza dos campos láser al mismo tiempo para aumentar la precisión de nuestras mediciones”, afirma. El resultado, publicado en Physical Review Letters, fija el radio en 0,8433 femtómetros con una incertidumbre tan pequeña que sería como medir la longitud de Estados Unidos y desviarse por el ancho de un solo virus.
Así que, al parecer, el enigma nunca tuvo que ver con el protón en absoluto. Se trataba de nosotros, o más bien del equipo y las constantes prestadas en las que se basaban experimentos anteriores.
Se trata, en cierto sentido, de un resultado ligeramente desalentador. Ninguna fuerza nueva. No se debe reescribir el Modelo Estándar, el marco que ha predicho el comportamiento de las partículas con una precisión enloquecedora durante medio siglo y que los físicos siguen presionando con la esperanza de que finalmente se resquebraje.
Pero Yost desea que nadie interprete esto como si los pequeños experimentos estuvieran perdiendo frente a los grandes. Su kit de mesa, señala, hace un trabajo que el Gran Colisionador de Hadrones no puede. “Los dos enfoques satisfacen necesidades diferentes. Con nuestros experimentos, podemos encontrar y estudiar física fundamental sin grandes aceleradores de partículas. Nuestro trabajo es como una luz de control del motor que se enciende y le indica al conductor que debe investigar un problema potencial”, afirma. “Nuestro trabajo puede decirle dónde buscar o qué funciona, pero es necesario que ambos equipos continúen examinando y probando completamente el modelo estándar en busca de nueva física”. Los colisionadores cazan objetos pesados que interactúan fuertemente; La espectroscopia láser es mejor para detectar cualquier cosa ligera y tímida. Quieres ambas luces en el tablero.
Ahora que el hidrógeno se comporta bien, el equipo ya está recurriendo a sus parientes más pesados, entre ellos el deuterio. “Podemos dejar de lado el hidrógeno por ahora porque podemos estar satisfechos de que se comporta como debería”, afirma Yost. “Eso nos permite observar otros elementos e interacciones para asegurarnos de que estén haciendo lo que creemos que deberían hacer”. Cada nuevo átomo es otro lugar donde la teoría y la medición podrían separarse silenciosamente, otro lugar para hacer brillar el láser y comprobar el motor.
Por ahora, el enigma que atormentó a la física durante diez años se ha clasificado como “resuelto” y el protón tiene, afortunadamente, el tamaño que debería tener. “Siempre existe la posibilidad de que las capacidades futuras nos permitan ser aún más precisos”, afirma Yost. “Pero estamos dispuestos a profundizar y seguir cerrando la brecha entre la teoría y la experimentación en el campo de la física atómica, molecular y óptica”.
Fuente: Cartas de revisión física, DOI 10.1103/lgl2-6cb8
Preguntas frecuentes
¿Qué era el enigma del radio de los protones y por qué preocupaba tanto a los físicos?
A partir de 2010, dos métodos perfectamente respetables de medir el tamaño de un protón dieron respuestas diferentes: los experimentos con electrones ordinarios resultaron más grandes que los que utilizaron muones más pesados. Una brecha tan pequeña podría parecer un error de redondeo, pero insinuaba que una fuerza no descubierta podría estar tirando de las dos partículas de manera diferente, lo que habría significado reescribir la física fundamental. La nueva medición cierra esa brecha y la explicación resulta mucho menos exótica.
¿Significa esto que, después de todo, no hay nueva física escondida en el protón?
Para este rompecabezas en particular, sí. El resultado del estado de Colorado concuerda con la teoría con una precisión de partes por billón, lo que descarta que haya una nueva fuerza o partícula detrás de la antigua discrepancia. En cambio, el desajuste se debió a problemas sutiles en equipos anteriores y a las constantes físicas en las que se basaban esos experimentos.
¿Cómo se mide algo que no tiene una superficie sobre la cual colocar una regla?
Lo haces indirectamente. El tamaño de un protón cambia sutilmente los niveles de energía del electrón que lo orbita, por lo que al disparar láseres sintonizados con precisión contra los átomos de hidrógeno y observar cómo los electrones saltan entre niveles, se puede aplicar ingeniería inversa al radio del protón. La parte complicada es que los átomos se mueven tan rápido que apenas interactúan con el láser, razón por la cual el equipo desarrolló una nueva técnica de dos láseres para agudizar la señal.
Si existe un colisionador gigante, ¿por qué molestarse con un experimento láser de mesa?
Porque responden a preguntas diferentes. El Gran Colisionador de Hadrones sobresale en la producción de partículas pesadas e interacciones poderosas, mientras que la espectroscopia láser es mucho mejor para captar cualquier cosa ligera y que interactúe débilmente que un colisionador pasaría desapercibida. El investigador principal compara su trabajo con la luz de control del motor de un automóvil: le indica dónde podría estar mal algo, pero aún necesita ambos enfoques para descubrir qué.
¿Qué sucede ahora que se ha eliminado el hidrógeno?
El equipo está pasando a versiones más pesadas del hidrógeno, empezando por el deuterio, para comprobar si también se comportan exactamente como predice la teoría. Cada nuevo átomo es una nueva oportunidad para que la medición y la predicción no estén de acuerdo, que es precisamente donde eventualmente aparecería cualquier física genuinamente nueva.
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