Lo que es el tamaño del protón

El protón, uno de los componentes primarios de la materia, podría ser más pequeño que se creía anteriormente. Este es el sorprendente resultado experimental establecido por una colaboración internacional de físicos, en el que el Laboratorio Kastler Brossel (ENS París / UPMC / CNRS) participa activamente. Esta nueva medición de la radio del protón, que se obtiene con una precisión extrema, podría poner en cuestión ciertas predicciones de la electrodinámica cuántica, una de las teorías fundamentales de la física cuántica, o incluso el valor de la constante de Rydberg (la constante física más exacta de fecha). Publicado en la revista Nature el 8 de julio, este trabajo aparece en la portada de la revista.

Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones, alrededor del cual orbitan los electrones. Estos tres elementos (protones, neutrones y electrones) constituyen la práctica totalidad de la materia de la Tierra. Considerando que el electrón se considera como una «sizeless» partícula, el protón, que está compuesto de quarks, es un objeto extendido. Hasta ahora, sólo dos métodos se han utilizado para medir su radio.Basándose en el estudio de las interacciones entre un protón y un electrón, se centran ya sea en las colisiones entre un electrón y un protón o en el átomo de hidrógeno (constituido por un electrón y un protón). El valor obtenido, y el utilizado por los físicos, es 0,877 femtometers (1) (+ / – 0,007).

Con el fin de determinar el radio de protones con mayor precisión, los físicos utilizan «hidrógeno muónico» en la que se sustituye el electrón por un muón, una partícula cargada negativamente elemental. «Esta idea se remonta a la década de 1970», explica François nez, investigador del CNRS en el Laboratorio Kastler Brossel (LKB). «Sin embargo, las técnicas necesarias para mejorar con el fin de hacerlo posible.» El átomo de hidrógeno, que es el más simple de los átomos existentes, a menudo ha sido el mejor objeto para el estudio de cuestiones fundamentales de la física. Pero ¿por qué sustituir el electrón por un muón? Cargado negativamente (2), un muón es 200 veces más pesado que un electrón. Por lo tanto, de acuerdo con las leyes de la física cuántica, se debe mover de 200 veces más cerca del protón que un electrón en «normal» de hidrógeno lo hace. El muón es «mucho más sensible» para el tamaño del protón que un electrón. En consecuencia, su energía de enlace atómico es altamente dependiente del tamaño del protón. La medición de esta energía permite a los científicos para determinar el radio del protón en una forma mucho más precisa (0,1% de exactitud) que las mediciones utilizando electrones (alrededor% de precisión, 1).

Para lograr esto, un láser infrarrojo tuvo que ser diseñado específicamente. Los seis investigadores LKB, del CNRS y UPMC, provenientes principalmente de su experiencia en su fabricación, fundamentalmente en lo que respecta a la «de zafiro-titanio» parte de la cadena de láser. El objetivo era diseñar un láser en el que puede ser la longitud de onda de emisión (en otras palabras el color de la luz láser) ajustado a voluntad. Desde un muón se desintegra en 2 millonésimas de un segundo, es necesario ser capaz de llevar a cabo la medición en el hidrógeno muónico durante este lapso de tiempo muy corto. El disparo del láser por lo tanto, necesita ser activado con gran rapidez (en torno al 1 millonésima de segundo). Una campaña de medición por primera vez en la final de 2002 permitió que el dispositivo experimental desarrollado por LKB ser puesto a prueba. LKB era también responsable de la medición de la longitud de onda de emisión del sistema láser completo. Esto implica dirigirse las diferentes longitudes de onda absorbidas por el hidrógeno muónico una por una, por lo que es posible deducir la energía del muón alrededor del protón y por lo tanto el tamaño del protón.

Una divergencia inesperada
Después de varias series de mediciones realizadas con el acelerador del Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza, donde el haz de muones es particularmente intensa, los investigadores obtuvieron un valor inesperado para el radio del protón. De hecho, este resultado difiere de la que se obtiene utilizando electrones. Esto equivale a 0.8418 femtometers (+ / – 0,0007) en lugar de 0.877 femtometers para las mediciones con electrones.«No tenía intención de que no podía haber ninguna divergencia entre los valores conocidos y nuestras medidas», señala el director Paul Indelicato LKB. Esta diferencia es demasiado grande para ser atribuido a errores de medición y el equipo de científicos está tratando de explicar esta discrepancia. Se podría poner en duda la teoría más precisa a prueba en la física, es decir, la teoría de la electrodinámica cuántica, que es una de las piedras angulares de la física moderna. Otra posibilidad es que el valor actual de la constante de Rydberg, la constante física determinada con la mayor precisión hasta el momento, podría ser necesario revisar. Los investigadores planean repetir este experimento en un futuro próximo con muónico helio (en lugar de hidrógeno), que podría arrojar nueva luz sobre estos resultados inesperados.

La colaboración internacional
de este proyecto es el fruto del esfuerzo de colaboración entre científicos de 32 instituciones diferentes en los distintos países.Algunas de las contribuciones más importantes incluyen: 
– El Laboratorio Kastler Brossel (ENS París / UPMC / CNRS) de Francia. 
– El Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Alemania. 
– El Instituto Paul Scherrer (PSI), el Instituto de Física de Partículas del Instituto Federal de Tecnología de Zurich y el Departamento de Física de la Universidad de Friburgo en Suiza.  
– El Departamento de Física de la Universidad de Coimbra y Aveiro en Portugal, 
– El Instituto für Strahlwerkzeuge y Dausinger y Giesen GmbH en Stuttgart, Alemania.

 

Notas:

(1) 1 femtometer (FM) = 10.15 metros. Es la unidad utiliza frecuentemente para medir el diámetro de un núcleo atómico, que puede ir hasta 6 FM. 
(2) Al igual que los electrones.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *