Mediciones con láser han puesto de manifiesto que el protón puede ser algo más pequeño que lo predicho por las teorías actuales. Foto: PSI / F. Reiser.El protón parece ser 0,00000000000003 milímetros más pequeño que los investigadores que se pensaba, según un estudio publicado en Nature que se destaca en la portada de la revista.
La diferencia es tan ínfima que podría desafiar la creencia de que nadie, ni siquiera a los físicos, les importaría. Pero nuevas mediciones podría significar que hay una brecha en las teorías actuales de la mecánica cuántica. Si se confirma en otros experimentos, los resultados podrían impugnar los preceptos fundamentales de la electrodinámica cuántica, la teoría cuántica de cómo la luz y la materia interactúan, según los autores. "Es una discrepancia muy seria", dice Ingo Sick, un físico de la Universidad de Basilea en Suiza, que ha tratado de conciliar el hallazgo de cuatro décadas de mediciones anteriores. "Hay algo realmente muy mal en alguna parte."
La noticia en la portada de Nature (8 de julio de 2010). Crédito: Nature.Un equipo de 32 científicos internacionales liderados por Randolf Pohl, del Instituto Max Planck en Garching, Alemania, se había propuesto inicialmente sólo confirmar lo que ya se conocía y no derribar las hipótesis consagradas desde hace tiempo.
Durante décadas, los físicos de partículas han utilizado el átomo de hidrógeno como un punto de referencia para medir el tamaño de los protones, que junto con los neutrones forman parte del núcleo de los átomos.
Pero a pesar de su apariencia cotidiana, el protón sigue siendo un misterio para los físicos nucleares, dice Pohl. "No entendemos mucho de su estructura interna", dice.
Desde lejos, el protón se parece a un pequeño punto de carga positiva, pero a partir de una inspección desde mucho más cerca, la partícula es más compleja. Cada protón está hecho de partículas fundamentales más pequeñas llamadas quarks, y eso significa que su carga es más o menos esparcida por el área esférica.
Los físicos pueden medir el tamaño del protón al ver como un electrón interactúa con un protón. Un solo electrón orbitando alrededor de un protón sólo puede ocupar ciertos niveles discretos de energía, que son descritos por las leyes de la mecánica cuántica. Algunos de estos niveles de energía dependen en parte del tamaño del protón, y desde la década de 1960 los físicos han realizado cientos de mediciones de su tamaño con una precisión asombrosa. Las estimaciones más recientes, realizados por Sick a partir de datos anteriores, ubican el radio del protón en aproximadamente 0,8768 femtometros (1 femtometro = 10-15 metros).
La ventaja del hidrógeno es su sencillez sin igual: un solo electrón en torno a un solo protón. Pero esta unidad de medida resulta haber sido errónea por un margen pequeño pero crítico, si el paper es correcto.
"No imaginamos que podía haber una brecha entre las medidas conocidas del protón y la nuestra", admitió el co-autor Paul Indelicato, director del Laboratorio Kastler Brossel en la Universidad Pierre y Marie Curie de París.
El nuevo experimento -al menos 10 veces más preciso que cualquier otro realizado hasta la fecha- fue previsto por los físicos hace 40 años, pero sólo la evolución reciente de la tecnología lo hizo posible.
El truco fue reemplazar el electrón en el átomo de hidrógeno con un muón negativo, una partícula con la misma carga eléctrica, pero más de 200 veces más pesada e inestable, haciéndola más sensible al tamaño del protón. Esto es, la mayor masa del muón le da al hidrógeno muónico un tamaño más pequeño y permite una interacción mucho mayor con el protón. Como resultado, la estructura del protón puede ser investigada con mayor precisión que mediante el uso de hidrógeno.
Para medir el radio de los protones con el muón, Pohl y sus colegas lanzaron muones de un acelerador de partículas en una nube de hidrógeno. A veces un muón sustituye a un electrón y orbita alrededor de un protón.
Usando el láser, el equipo midió los niveles de energía muónicos con una precisión extremadamente alta y se encontró que el protón era alrededor del 4% más pequeño de lo que se pensaba.
Jeff Flores, investigador en el Laboratorio Nacional de Física de Gran Bretaña en Teddington, cerca de Londres, dijo que el trabajo podría colocar las teorías de la física de partículas en un nuevo territorio. Si se confirma, sería algo más que probar en el acelerador de partículas de miles de millones de dólares gigante en el CERN en Suiza del llamado Modelo Estándar, el cual establece la lista nominal de las partículas sub-atómicas, dijo en un comentario.
O cualquiera de las medidas previamente aceptadas sobre las que cientos de cálculos se han basado están equivocadas, o hay un problema con la teoría de la electrodinámica cuántica en sí misma. De cualquier manera, los físicos todavía tienen algunas explicaciones serias que concretar.
"Ahora los teóricos van a rehacer sus ecuaciones, y se harán más experimentos para confirmar o rectificar", dijo Indelicato.
"En dos años vamos a hacer otro experimento con el mismo equipo, pero esta vez con helio muónico", agregó.
Fuente:
• The proton shrinks in size (Nature)
• Particle physics: 'Honey, I shrunk the proton' (Physorg)
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