EL MISTERIO DEL PROTÓN
Los protones son partículas complejas formadas por quarks, por lo que su carga eléctrica no se halla concentrada en un punto, sino que se extiende en el espacio y forma una especie de «nube». Hasta hace poco, los físicos pensaban que conocían bien el radio característico de esa nube: múltiples mediciones venían arrojando desde hacía décadas un valor de unos 0,88 femtómetros (1 fm = 10-15 metros).
Sin embargo, en 2010 una colaboración internacional sorprendió a la comunidad al anunciar que un nuevo tipo de experimento proporcionaba un valor significativamente menor: unos 0,84 fm, con 5 desviaciones estándar de diferencia con respecto a las mediciones precedentes. Aunque decenas de artículos han intentado desde entonces hallar una razón que explique esa discrepancia, hoy por hoy su origen continúa siendo una cuestión abierta. Ahora, la misma colaboración internacional ha repetido y mejorado el experimento de 2010. Sus resultados, que aportan el valor más preciso obtenido hasta la fecha para el radio del protón, no solo ratifican los datos de 2010, sino que elevan el desacuerdo observado entonces hasta las 7 desviaciones estándar. El trabajo ha sido publicado en el último número de la revista Science.
Sin embargo, en 2010 una colaboración internacional sorprendió a la comunidad al anunciar que un nuevo tipo de experimento proporcionaba un valor significativamente menor: unos 0,84 fm, con 5 desviaciones estándar de diferencia con respecto a las mediciones precedentes. Aunque decenas de artículos han intentado desde entonces hallar una razón que explique esa discrepancia, hoy por hoy su origen continúa siendo una cuestión abierta. Ahora, la misma colaboración internacional ha repetido y mejorado el experimento de 2010. Sus resultados, que aportan el valor más preciso obtenido hasta la fecha para el radio del protón, no solo ratifican los datos de 2010, sino que elevan el desacuerdo observado entonces hasta las 7 desviaciones estándar. El trabajo ha sido publicado en el último número de la revista Science.
Espectros de Rayos X.
Los intentos tradicionales para determinar el radio del protón se basaban en dos tipos de experimentos: dispersión de protones y electrones, por un lado, y el estudio de los niveles de energía del átomo de hidrógeno, por otro. Los nuevos datos proceden del análisis de los niveles de energía del hidrógeno muónico: un «átomo» idéntico al hidrógeno común, pero en el que el electrón ha sido reemplazado por un muon. Los muones son partículas elementales muy similares a los electrones y con la misma carga eléctrica que estos, pero poseen una masa unas 200 veces mayor.
Resonancia
Por tanto, en un estado ligado protón-muon, la distancia promedio entre ambas partículas viene a ser unas 200 veces menor que en el caso del hidrógeno ordinario y, como consecuencia, los niveles de energía se muestran mucho más sensibles al tamaño finito del protón. Ello implica que las mediciones basadas en el espectro del hidrógeno muónico deberían proporcionar resultados mucho más precisos sobre el radio del protón; pero, por lo demás, no se conoce ninguna razón clara por la que ambos tipos de experimento deban arrojar valores diferentes.
Niveles de energía del hidrógeno muónico. El desplazamiento de Lamb (la diferencia de energía entre los niveles 2S y 2P originada por los efectos de las partículas virtuales del vacío cuántico) recibe correcciones debidas al tamaño finito del protón. Las flechas verde y violeta indican las transiciones entre subniveles medidas experimentalmente por los investigadores.
En 2010, los investigadores dedujeron el radio del protón a partir de la medición del desplazamiento de Lamb del hidrógeno muónico. De acuerdo con la teoría de Dirac para electrones relativistas, los niveles 2S1/2 y 2P1/2 del átomo de hidrógeno deberían poseer la misma energía. En 1947, sin embargo, Willis Lamb y Robert Retherford demostraron experimentalmente que ese no era el caso. La explicación del fenómeno supuso un punto de inflexión en la teoría cuántica y espoleó el desarrollo de la que hoy se tiene por una de las teorías más precisas de la historia de la ciencia: la electrodinámica cuántica. Según esta, el desplazamiento de Lamb se debe a los efectos generados por las partículas virtuales que llenan vacío cuántico; es decir, atañe a uno de los principios más profundos de la visión moderna del mundo microscópico.
Haz de muones.
Tanto en el hidrógeno ordinario como en el muónico, el desplazamiento de Lamb recibe correcciones cuando se incorporan en el cálculo los efectos derivados del tamaño del protón. En su experimento de 2010, los investigadores midieron una transición particular entre uno de los niveles hiperfinos del estado 2S1/2 del hidrógeno muónico y uno de los subniveles del estado 2P1/2, gracias a lo cual pudieron deducir el valor más probable para el radio de carga del protón. Ahora la colaboración ha repetido las mediciones de 2010 y, además, ha estudiado una transición adicional entre otros dos subniveles de los estados 2S1/2 y 2P1/2. Ello no solo les ha permitido obtener un resultado aún más preciso del radio del protón, sino que el nuevo valor no depende del cálculo teórico del desdoblamiento hiperfino del nivel 2S1/2. Sin ninguna razón aparente para ello, el hidrógeno muónico continúa proporcionando una medida del tamaño del protón significativamente menor que el hidrógeno ordinario.