El radio del protón es significativamente menor de lo que se creía previamente, dicimos los físicos que ahora lo han medido con mayor precisión
El sorprendente resultado se obtuvo estudiando el hidrógeno muónico, en el cual el electrón es reemplazado por una partícula más pesada, el muón.
Este hallazgo podría significar que los físicos tienen que reevaluar cómo aplicar la teoría de la electrodinámica cuántica, o incluso que la propia teoría necesita una revisión general.
Un protón contiene tres quarks cargados ligados por una fuerza o interacción fuerte, y su radio se define como la distancia a la cual la densidad de carga cae por debajo de un determinado valor.
El radio del protón se ha medido de dos formas: dispersando los electrones del hidrógeno, y observando muy de cerca la diferencia entre ciertos niveles de energía del átomo de hidrógeno que resulta en el llamado desplazamiento de Lamb.
La mejor estimación que se había hecho hasta ahora del radio del protón era de 0,877 femtómetros (fm), con una incertidumbre de 0.007 fm.
El desplazamiento de Lamb es el resultado de las interacciones entre el electrón y los quarks que forman el protón, de acuerdo a lo descrito en la teoría de la electrodinámica cuántica.
Estas interacciones son ligeramente diferentes para los electrones que ocupan los niveles de energía 2S y 2P, y el cambio de energía resultante depende en parte del radio del protón.
Cuanto más pesado, mejor
Sin embargo, en el hidrógeno muónico el desplazamiento de Lamb presenta mayor variación con las variaciones del radio del protón porque el muón, que es más pesado, pasa más tiempo cerca (y a menudo adentro) del protón mismo.
Ahora, un equipo internacional liderado por Randolf Pohl, del Instituto de Óptica Cuántica Max Planck de Garching, Alemania, ha medido el desplazamiento de Lamb en el hidrógeno muónico por primera vez, y descubrieron que el radio del protón era de 0.8418 fm, con una incertidumbre de 0.0007 fm.
Si bien esta es la medición más precisa obtenida hasta la fecha, muestra una llamativa discrepancia con las mediciones previas, y está muy lejos de las barras de error estimadas en los resultados anteriores.
El equipo de investigadores midió el desplazamiento usando el acelerador de protones del Instituto Paul Scherrer de Suiza para crear el haz de muones, que fue disparado sobre el gas de hidrógeno.
Cuando un muón choca con una molécula de hidrógeno, la separa y reemplaza al electrón, creando así el hidrógeno muónico.
Aproximadamente el 1% de las veces el muón se encuentra en el estado 2S, desde el cual puede ser llevado al estado 2P mediante la absorción del fotón de un pulso láser.
A continuación, el estado 2P decae mediante la emisión de rayos X.
Un cálculo complicado
Contando el número de rayos X mientras se escanea la frecuencia del pulso láser, el equipo de investigadores pudo medir con mucha precisión la energía del fotón requerida para hacer la transición entre los estados 2S y 2P.
Este dato fue utilizado para hacer un complicado cálculo de electrodinámica cuántica y obtener el radio del protón.
Pohl le dijo a physicsworld.com que su equipo ha estado trabajando en esta medición durante los últimos doce años y que obtuvo los primeros indicios del resultado anómalo hace aproximadamente seis años.
Desde entonces, los científicos han revisado, repetido y mejorado sus mediciones, así que confían en que los resultados obtenidos son correctos.
Según Jeff Flowers, del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido, hay tres explicaciones posibles para esta discrepancia.
La más probable es que la teoría de la electrodinámica cuántica sea correcta, pero que haya sido aplicada erróneamente en lo que él describe como “un cálculo muy difícil”.
Otra alternativa es que haya un problema con el experimento, pero Flowers, que no estuvo involucrado en la medición, piensa que el equipo de Pohl ha realizado un trabajo excelente.
La explicación menos probable (y la más emocionante) es, según Flowers, que algo esté mal en la teoría de la
Electrodinámica cuántica.
“Un gran cambio filosófico para los físicos”
Aunque la teoría de la electrodinámica cuántica tiene un fundamento matemático débil, ha sido extremadamente exitosa en la predicción del resultado de los experimentos.
“Cambiar la teoría de la electrodinámica cuántica sería un gran cambio filosófico para los físicos”, dice Flowers.
El hallazgo ya ha provocado una intensa actividad teórica y experimental, con algunos físicos rehaciendo los cálculos del desplazamiento de Lamb, y otros tratando de mejorar las medidas del radio del protón basadas en el cambio de energía de los electrones.
Mientras tanto, el equipo de Pohl va a repetir este experimento y va a hacer una nueva serie de mediciones sobre el helio muónico para medir el radio del núcleo de helio.
Fuente: physicsworld.com-Axxón
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