Comparación del resultado actual con los valores anteriores de la masa atómica del protón. Crédito:RIKEN
¿Cuál es la masa de un protón? Científicos de Alemania y Japón han dado un paso importante hacia una mejor comprensión de esta constante fundamental. Mediante mediciones de precisión en un solo protón, pudieron mejorar la precisión en un factor de tres y también corregir el valor existente.
Para determinar la masa de un solo protón con mayor precisión, el grupo de físicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg y RIKEN en Japón realizó una importante medición de alta precisión en un sistema de trampa Penning muy avanzado, diseñado por Sven Sturm y Klaus Blaum de MPI-K, utilizando detectores de partículas individuales ultrasensibles que fueron desarrollados en parte por el Laboratorio de Simetrías Fundamentales Ulmer de RIKEN.
El protón es el núcleo del átomo de hidrógeno y uno de los componentes básicos de todos los demás núcleos atómicos. Por lo tanto, La masa del protón es un parámetro importante en la física atómica:es uno de los factores que afectan la forma en que los electrones se mueven alrededor del núcleo atómico. Esto se refleja en los espectros, es decir., los colores claros (longitudes de onda) que los átomos pueden absorber y emitir nuevamente. Al comparar estas longitudes de onda con predicciones teóricas, es posible probar teorías físicas fundamentales. Más lejos, las comparaciones precisas de las masas del protón y el antiprotón pueden ayudar en la búsqueda de la diferencia crucial, además del signo inverso de la carga, entre la materia y la antimateria.
Las trampas Penning están bien probadas como "escamas" adecuadas para iones. En tal trampa es posible confinar, casi indefinidamente, partículas con carga única, como un protón, por ejemplo, mediante campos eléctricos y magnéticos. Dentro de la trampa la partícula atrapada realiza un movimiento periódico característico a una cierta frecuencia de oscilación. Esta frecuencia se puede medir y la masa de la partícula se puede calcular a partir de ella. Para alcanzar la alta precisión deseada, se requería una técnica de medición elaborada.
El isótopo de carbono 12 C con una masa de 12 unidades de masa atómica se define como el estándar de masa de los átomos. "Lo usamos directamente para comparar, ", dice Sven Sturm." Primero almacenamos cada protón y un ión de carbono ( 12 C 6+ ) en compartimentos separados de nuestro aparato trampa Penning, luego transportó cada uno de los dos iones al compartimiento central de medición y midió su movimiento. "A partir de la relación de los dos valores medidos, el grupo obtuvo la masa del protón directamente en unidades atómicas. El compartimiento de medición estaba equipado con componentes electrónicos especialmente desarrollados. Andreas Mooser, del Laboratorio de Simetrías Fundamentales de RIKEN, explica su función:"Nos permitió medir el protón en condiciones idénticas a las del ión de carbono a pesar de su masa aproximadamente 12 veces menor y su carga 6 veces menor".
La masa resultante del protón, se determina que es 1.007276466583 (15) (29) unidades de masa atómica, es tres veces más preciso que el valor actualmente aceptado. Los números entre paréntesis se refieren a las incertidumbres estadísticas y sistemáticas, respectivamente.
Curiosamente, el nuevo valor es significativamente menor que el valor estándar actual. Las mediciones de otros autores arrojaron discrepancias con respecto a la masa del átomo de tritio, el isótopo de hidrógeno más pesado (T = 3 H), y la masa de helio ligero ( 3 Él) comparó con la molécula de hidrógeno "semipesado" HD (D = 2 H deuterio, hidrógeno pesado). "Nuestro resultado contribuye a resolver este rompecabezas, ya que corrige la masa del protón en la dirección adecuada, "dice Klaus Blaum.
Florian Köhler-Langes de MPIK explica cómo los investigadores pretenden mejorar aún más la precisión de sus mediciones:"En el futuro, almacenaremos un tercer ion en nuestra torre trampa. Al medir simultáneamente el movimiento de este ion de referencia, seremos capaces de eliminar la incertidumbre originada por las fluctuaciones del campo magnético ”. El trabajo fue publicado en Cartas de revisión física .
