Una nueva medición puede resolver un misterio de más de diez años relativo a los protones

El protón es una de las partículas más importante en nuestra vida cotidiana. Es uno de los tres componentes centrales de los átomos y determina la identidad de los elementos. Una nueva medición de su tamaño puede ser clave para resolver un problema que la física ha sido incapaz de despejar durante una década.

Obviamente, determinar los valores exactos de las diversas propiedades de un protón es una tarea crucial para la física, pero hasta ahora no había sido posible. Existe un desacuerdo experimental sobre una de esas propiedades, el llamado radio de carga. Tras una década de mediciones cada vez más precisas, los científicos han publicado los resultados de un nuevo método de medición, y sugieren que la solución al problema está próxima

Pero comencemos por el principio…

Los científicos miden el tamaño del protón usando un valor llamado radio de carga, una medida de cómo se distribuye la carga eléctrica en la partícula. Hasta 2010, los científicos medían el radio de dos maneras. La primera era dispersando electrones fuera del protón. La segunda era usando un valor llamado desplazamiento de Lamb. Ese valor se calcula en función de la diferencia entre dos niveles de energía en un átomo que conste de un solo protón y un electrón (Si se te han olvidado las cláses de química, resulta que los electrones prefieren ciertos lugares alrededor de un átomo. Esas posiciones se llaman niveles de energía).

Estos dos métodos coincidieron durante muchos años en que el valor de radio de carga de un protón es de alrededor de 0,877 femtómetros (un femtómetro es la 100 quintillonésima parte de un metro).

Y llegó la discrepancia

Dos mediciones en 2010 lo arruinaron todo. Ambas midieron el desplazamiento de Lamb de un átomo que consiste en un protón y un muón, que es como una versión más rara y pesada del electrón. El muón se encuentra mucho más cerca del protón que el electrón, lo que hace que el método sea más preciso. Ambos experimentos coincidieron en que el radio de carga de un protón es de alrededor de 0.842 femtómetros. La diferencia era tan grande que algunos físicos se preguntaron si había efectos no descubiertos para explicar esa diferencia.

Los físicos siguieron midiendo el radio de carga durante toda la década de 2010 sin llegar a un consenso. A principios de este año, el rompecabezas parecía resuelto. Un equipo de la Universidad de York en Canadá dirigido por el profesor Eric Hessels, observó un cambio de Lamb más difícil de medir. Los investigadores usaron un átomo de hidrógeno que constaba de un protón y un electrón, así como el desplazamiento de Lamb de un átomo con un protón y un muón. Ambas mediciones del radio de carga arrojaron un resultado de 0.833 femtómetros. Quizás algo simplemente estaba mal en las mediciones anteriores a 2010.

Pero esto es ciencia, y los problemas no se resuelven con estudios individuales. Los científicos generalmente quieren ver una verificación independiente de este tipo de mediciones. Hoy, otro equipo formado por investigadores de Estados Unidos, Ucrania, Rusia y Armenia revisó la medición utilizando un nuevo experimento de dispersión de protones y electrones. “Decidimos diseñar un nuevo tipo de experimento que aborde el problema desde un enfoque completamente nuevo”, dijo a Gizmodo Ashot Gasparian, profesor de la Universidad Estatal de Carolina del Norte A&T y portavoz del equipo

El experimento consiste en un haz de electrones que golpea átomos de hidrógeno superfríos. Una serie de detectores miden dónde terminan los electrones después de la dispersión, así como sus energías, y las de los electrones no dispersados. Esta medición mejora los experimentos de dispersión del pasado al medir con mayor precisión los electrones dispersados ​​solo ligeramente por los protones. A su vez utiliza diferentes detectores para medir las energías de los electrones. Por último se tuvieron en cuenta otras estrategias para aumentar la precisión del experimento que incluyen tomar en cuenta la dispersión de electrones de sí mismos, y construir el contenedor de gas de hidrógeno sin ventanas de entrada y salida que pudieran producir interferencias.

Los científicos pudieron extraer otra medida del radio: 0.831 femtómetros, lo que está de acuerdo con la medida de Hessels, según el nuevo artículo publicado en Nature. “En mi opinión, el problema se cierra después de este experimento”, dijo a Gizmodo Krzysztof Pachucki, profesor de la Universidad de Varsovia que revisó el nuevo estudio pero no participó en él.

¿Qué salió mal en 2010? ¿Cómo pudo una medición décadas de mediciones anteriores? Todavía no está claro, explica Pachucki. Quizás había un valor incorrecto en los cálculos utilizados para convertir los datos en la medición del radio de protones. Resolver de manera concluyente el problema del radio requerirá averiguar si algo fue mal con esos experimentos pasados ​​y qué fue exactamente, los físicos Jean-Philippe Karr de la Sorbonne Université y Dominique Marchand están escribieron un comentario en Nature sobre el nuevo trabajo.

Los autores detrás de este artículo no creen que el problema se haya resuelto por completo. Seguramente habrá varios experimentos más se unirán a los actuales, buscando nuevas formas de aumentar la precisión y confirmar el valor más bajo. Incluso si las personas están de acuerdo con un valor, quizás otras mediciones más precisas revelen nuevas discrepancias en el radio de carga más allá de las capacidades de los experimentos actuales. Continuará habiendo este tipo de mediciones de precisión de la física de partículas, como el experimento del muón g-2, por ejemplo, mientras los investigadores busquen nuevas discrepancias que puedan ser la clave de una física no descubierta.

“Lo que queríamos hacer en realidad es impulsar el límite de la precisión de este tipo de medición”, dijo a Gizmodo Haiyan Gao, profesor de la Universidad de Duke y portavoz del equipo. “Quizás en el futuro, si hay una nueva física invcolucrada podamos descubrirla”.

Con información de Gizmodo

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