Los físicos están más cerca de conocer el tamaño de un protón ...

Que tan grande es un protón? Puede parecer una pregunta bastante simple, pero resultó tener el potencial de arruinar mucha de la física moderna. Eso es porque diferentes métodos de medir el radio de carga del protón produjeron resultados que no estuvieron de acuerdo—Y no solo por un poquito. Las respuestas estaban separadas por cuatro desviaciones estándar. Pero ahora, una medición nueva y mejorada los alinea mucho más estrechamente, aunque no lo suficientemente cerca como para que podamos considerar el problema resuelto.

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Hay un par de formas diferentes de medir el radio de carga de un protón. Una es hacer rebotar otras partículas cargadas del protón e inferir su tamaño midiendo las desviaciones. Otra es observar cómo la carga del protón influye en el comportamiento de un electrón que lo orbita en un átomo de hidrógeno, que consta de un solo protón y un electrón. La diferencia de energía entre diferentes orbitales es el producto del radio de carga del protón. Y, si un electrón pasa de un orbital a otro, emitirá (o absorberá) un fotón con una energía que corresponda a esa diferencia. Mida el fotón y podrá volver a calcular la diferencia de energía y, por tanto, el radio de carga del protón.

(La longitud de onda real depende tanto del radio de carga como de una constante física, por lo que en realidad necesita medir las longitudes de onda de dos transiciones para obtener valores tanto para el radio de carga como para la constante física. Pero para los propósitos de este artículo, solo concéntrate en una medida.)

Una vez, un acuerdo aproximado entre estos dos métodos pareció dejar la física en buena forma. Pero luego los físicos fueron e hicieron algo divertido: reemplazaron el electrón con su equivalente más pesado y algo inestable, el muón. Según lo que entendemos por física, el muón debería comportarse igual que el electrón excepto por la diferencia de masa. Entonces, si puede medir el muón que orbita un protón en el breve destello de tiempo antes de que se desintegra, debería poder producir el mismo valor para el radio de carga del protón.

Naturalmente, es produjo un diferente valor. Y la diferencia era tan grande que era poco probable que un simple error experimental la explicara.

Si las medidas fueran realmente diferentes, eso indicaría una falla seria en nuestra comprensión de la física. Si el muón y el electrón no se comportan de manera equivalente, entonces la cromodinámica cuántica, una de las principales teorías de la física, se rompe irremediablemente de alguna manera. Y tener una teoría rota es algo que entusiasma mucho a los físicos.

El nuevo trabajo es en gran parte una versión mejorada de experimentos pasados en el sentido de que mide una transición orbital específica en el hidrógeno estándar compuesto por un electrón y un protón. Para empezar, el hidrógeno mismo se llevó a una temperatura muy baja pasándolo a través de una boquilla de metal extremadamente fría en su camino hacia el recipiente de vacío donde se realizaron las mediciones. Esto limita el impacto del ruido térmico en las mediciones.

La segunda mejora es que los investigadores trabajaron en la parte ultravioleta del espectro, donde longitudes de onda más cortas ayudaron a mejorar la precisión. Midieron la longitud de onda de los fotones emitidos por los átomos de hidrógeno usando lo que se llama un peine de frecuencia, que produce fotones en una serie de longitudes de onda espaciadas uniformemente que actúan un poco como las marcas en una regla. Todo esto ayudó a medir la transición orbital con una precisión 20 veces más precisa que el esfuerzo anterior del equipo.

El resultado que obtienen los investigadores no está de acuerdo con las mediciones anteriores de hidrógeno normal (aunque no una más reciente). Y está mucho, mucho más cerca de las mediciones realizadas con muones que orbitan protones. Entonces, desde la perspectiva de la precisión de la mecánica cuántica, esta es una buena noticia.

Pero no es una gran noticia, ya que los dos resultados aún están fuera de las barras de error del otro. Parte del problema es que la masa agregada del muón hace que las barras de error en esos experimentos sean extremadamente pequeñas. Eso hace que sea muy difícil que los resultados obtenidos con un electrón normal sean consistentes con los resultados del muón sin superponerlos completamente. Los autores reconocen que es probable que la diferencia sea simplemente errores que no se tienen en cuenta, citando la perspectiva de “efectos sistemáticos en una (o ambas) de estas mediciones”. Estos efectos podrían ampliar la incertidumbre lo suficiente como para permitir la superposición.

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