El antiguo misterio de cuán grande es un protón puede finalmente haberse resuelto


Los protones probablemente no sean tan grandes como habíamos imaginado alguna vez, según los resultados de un experimento de física sensible que tardó ocho años en completarse.

Los científicos ahora dicen que nuestras mediciones anteriores del tamaño del protón se redujeron hasta en un 5 por ciento, lo que podría no parecer una corrección tan grande, pero para los físicos el enigma del increíble protón encogido ha estado pidiendo una solución durante años.

De hecho, el problema ha sido molesto para los científicos desde que una nueva forma de medir la partícula arrojó dudas sobre hallazgos anteriores. La última cifra, según lo determinado por un equipo de investigadores en Canadá, sitúa el radio del protón en alrededor de 0.833 femtómetros; un smidgeon de los 0.842 femtómetros calculados por un experimento histórico 2010.

Encontrar el resultado no fue tarea fácil, tampoco, combinar métodos de múltiples experimentos para determinar de una vez por todas cuál es más probable que sea correcto.

"El nivel de precisión requerido para determinar el tamaño del protón hizo que esta sea la medición más difícil que nuestro laboratorio haya intentado". dice el físico de la Universidad de York Eric Hessels.

A diferencia de los modelos convenientes de átomos en nuestros libros de texto, los protones no son como pequeñas esferas lisas. Al carecer de una superficie distinta, el protón es una nube definida por un umbral en su carga positiva.

Para poner una distancia en la extensión de este límite, puede usar uno de los dos métodos.

Una es disparar partículas cargadas negativamente a los núcleos de los átomos de hidrógeno y realizar un seguimiento de cómo rebotan. Dispara suficientes electrones, y deberías poder trazar un patrón que te indique dónde comienza a desvanecerse la carga positiva del protón.

Este enfoque ha sido llevado a cabo numerosas veces A traves de Los años, y las cifras generalmente rondan la marca de 0,88 femtómetros.

El método número dos es un poco menos agresivo, ya que depende de la detección de cambios en los niveles de energía de un electrón mientras orbita a un protón.

En términos más técnicos, las mediciones se basan en la extraña confusión de la mecánica cuántica, lo que sugiere que las partículas no siempre tienen una posición clara. Esto significa que los electrones de vez en cuando se encuentran en el corazón muerto de un protón, tirado por igual en todos los lados.

Las diferencias en los estados de energía de un electrón excitado, ya que ocasionalmente se encuentra dentro de un protón, fueron cuantificadas por primera vez hace unos 70 años por el premio Nobel Wallis Lamb, y el método sigue siendo una forma práctica de estimar el radio del protón hasta el día de hoy.

La mayoría de las mediciones basadas en el llamado Lamb Shift han estado más o menos de acuerdo entre sí, por lo que en 2014 el Comité de Datos para Ciencia y Tecnología estableció una distancia oficial de 0.875 femtómetros.

Sin embargo, "la mayoría" no significa "todos". Ese molesto experimento de 2010 no logró acercarse a este número, y ha seguido siendo una mosca en la pomada desde entonces.

Al cambiar un electrón por su pariente pesado, el muón, la partícula cargada negativamente en la órbita del hidrógeno, pasaría más tiempo sumergiéndose dentro de su protón, agregando precisión a las mediciones de su radio.

El cambio de cordero de esta forma exótica de hidrógeno en el experimento de 2010 sugirió que el radio del protón era un 4 por ciento menos que la cifra oficial.

Desafortunadamente, la sensibilidad del método fue demasiado grande como para descartarlo. Desde entonces, experimentos repetidos usando muones han aparecido números similares.

En este contexto, Hessels y su equipo volvieron a realizar el clásico método Lamb Shift volviendo al electrón tradicional. Solo que, esta vez, utilizaron una técnica relativamente nueva llamada FOSOF, abreviatura de campos oscilatorios separados por desplazamiento de frecuencia.

Este enfoque les permitió llevar a cabo el experimento con la extraordinaria precisión del método muon, solo sin el muon.

Su resultado es un poco más pequeño que el resultado de 2010, pero todavía está lo suficientemente de acuerdo como para sugerir que estamos en algo.

"Después de ocho años de trabajar en este experimento, nos complace registrar una medición de tan alta precisión que ayuda a resolver el escurridizo rompecabezas de radio de protones". dice Hessels.

Como sucede, el resultado significa que probablemente no haya una nueva física detrás de la discrepancia, por lo que debemos descartar desafíos para el modelo estandar.

Pero sí significa que pronto podríamos estar de acuerdo sobre cuán ancho podría ser un protón.

Hace dos años, la masa del protón también requirió un pequeño ajuste. A menos que los experimentos pendientes que continúan tocando los bordes del protón sigan arrojando sorpresas, parece que la cintura del protón ya no es lo que solía ser.

Esta investigación fue publicada en Ciencia.

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