Hace diez años, casi cualquier físico nuclear podría decirle el tamaño aproximado del protón. Pero eso cambió en 2010, cuando los físicos atómicos dieron a conocer un nuevo método que prometía una medición más precisa. La nueva cantidad subió un 4% menos de lo esperado, desencadenando una pelea dentro de las comunidades de física nuclear y atómica para determinar si este resultado discrepante se debió a la nueva física o una indicación de problemas con las extracciones de la cantidad de experimentos.

Ahora, cuatro físicos nucleares, dos experimentalistas y dos teóricos, Creo que han resuelto la discrepancia utilizando datos experimentales de física nuclear y un modelo físico avanzado para obtener un nuevo valor para el tamaño del protón. El resultado fue publicado en Revisión física C en abril.

Llevando una vara al protón

Una cosa en la que todos los métodos están de acuerdo es que el protón es diminuto. El radio de carga del protón, que mide el tamaño de la distribución de la carga eléctrica en la partícula nuclear, es un poco menos que un femtómetro, con un solo femtómetro que registra una cuadrillonésima parte de un metro.

Dicho de otra manera, si toma un metro y divide su longitud en mil millones de piezas iguales, y luego tomar solo una de esas piezas y dividir su longitud en otro millón de piezas, la longitud de cada uno de esos millones de piezas será un femtómetro.

Porque es tan pequeño el radio de carga del protón no se puede medir directamente. En lugar de, Los físicos nucleares y atómicos utilizan métodos sofisticados para determinar el tamaño del protón.

"Básicamente, se trata de la interacción del protón con los campos electromagnéticos, eso es parte de lo que se llama la estructura electromagnética del protón, o el factor de forma del protón, "explicó Christian Weiss, un científico de planta en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía en el Centro de Física Teórica y Computacional. "Lo que está midiendo es el tamaño de la distribución espacial de la carga eléctrica del protón".

Compañía de dos, Tres son multitud

Hace unos 30 años, Los físicos nucleares y atómicos idearon dos métodos diferentes para determinar este radio de carga eléctrica.

Los físicos nucleares realizan experimentos a través de la dispersión de electrones, donde se lanzan electrones a los protones, y el radio de carga del protón está determinado por el cambio en la trayectoria de los electrones después de que rebotan en el protón.

"En algún sentido, el electrón se dispersa muy suavemente fuera de ese protón, "Dijo Weiss.

Los físicos atómicos también usan electrones para medir el radio del protón. Ellos observan, usando espectroscopia, los niveles de energía de los electrones cuando orbitan un núcleo pequeño, como hidrógeno (con un protón) o deuterio (con un protón y un neutrón).

Usando estos dos métodos diferentes, se estableció un radio de aproximadamente 0,88 femtómetros como valor mundial.

Luego, en 2010, un equipo de investigación en física atómica hizo un anuncio impactante. En un giro en el método de la física atómica, El equipo midió los niveles de energía de los electrones en órbita alrededor de átomos de hidrógeno fabricados en laboratorio que reemplazaron un electrón en órbita con un muón. Mientras que un muón es la misma clase de partícula que el electrón, tiene 200 veces la masa del electrón y, por lo tanto, orbita mucho más cerca del protón. Esta proximidad significa que el radio de carga del protón tiene un mayor efecto en su órbita.

El nuevo, Un método más preciso arrojó una medición de .84 femtómetros, o aproximadamente un 4% más pequeño que el valor mundial.

El nuevo resultado desencadenó un frenesí de actividad en torno a un valor que la mayoría de los físicos pensaba que ya se había establecido. Se planearon más experimentos de dispersión de electrones, Se realizaron mediciones adicionales de espectroscopía de hidrógeno e hidrógeno muónico, y la teoría atómica y nuclear fue reexaminada en busca de pistas.

Los físicos se enfrentan

Aquí en Jefferson Lab, los nuevos esfuerzos impulsaron una revisión de los experimentos que se utilizaron para establecer el valor mundial y una revisión de la teoría nuclear para encontrar formas más precisas de examinar los datos o predecir el valor a partir de los resultados. Un equipo de cuatro físicos nucleares se reunió para trabajar en la ciencia detrás de la publicación Physical Review C.

Comenzaron por abordar una de las preocupaciones que tenían los físicos nucleares experimentales sobre los datos de dispersión de electrones:cómo se obtenía la cantidad para el radio del protón a partir de datos experimentales.

"Ha sido un desafío extraer el radio del protón a partir de estos datos de dispersión de electrones, debido a que los experimentos de dispersión reales requieren una transferencia de cantidad de movimiento finita del protón, "Weiss explicó." El número que le interesa es la respuesta del protón en la transferencia de impulso cero, así que eso es algo a lo que no se puede acceder directamente ".

En lugar de, Los físicos nucleares analizan los datos que obtienen de los experimentos en las transferencias de impulso más bajas y luego usan un procedimiento para extrapolar a cero. Hay un debate en curso sin embargo, sobre qué transferencias de impulso siguen siendo relevantes y cómo se debe realizar la extrapolación.

Dos miembros del equipo son experimentales:Douglas Higinbotham, un científico del personal de Jefferson Lab, y Zhihong Ye, un asociado de investigación senior en Argonne National Lab. Resolvieron el lado experimental del desafío al considerar los datos mundiales previos al análisis en una amplia gama de transferencias de impulso.

En lugar de extrapolar los datos para obtener un valor, en su lugar, trazaron los datos sobre el rango completo de transferencias de impulso medidas, teniendo en cuenta que el radio de carga del protón podría ser cualquiera de los muchos valores posibles.

"Simplemente arreglamos el radio en nuestros ajustes y repetimos el análisis muchas, muchas veces, por cada valor razonable del radio, ", dijo Higinbotham." Y luego fue a los teóricos y les pidió que generaran las curvas teóricas para esos radios, para que podamos comparar y ver si hay acuerdo ".

Los otros dos miembros del equipo de cuatro personas son teóricos:Weiss y José Manuel Alarcón, profesor investigador de la Universidad Complutense de Madrid. Trabajaron juntos para perfeccionar los métodos teóricos utilizados para analizar el problema.

"Usamos un método teórico particular llamado teoría de campo efectivo para hacer un modelo de la estructura del protón de cómo responde a la dispersión electromagnética en transferencias de momento bajo, "Weiss explicó." La teoría condensa la estructura relevante del protón en unos pocos números. Y le permite predecir la respuesta del protón a la dispersión de electrones en transferencias de momento finito, y cómo se relaciona con el radio de carga que desea extraer ".

Cuando los experimentalistas y teóricos luego compararon su trabajo, encontraron que convergía en un nuevo valor para el radio del protón, como se muestra en la animación.

"Lo que es absolutamente hermoso y sorprendente es cuando se observa si hay un radio en el que el ajuste global y el cálculo teórico coinciden, hay uno. Son .845 femtómetros, ", dijo Higinbotham." Y es extrañamente consistente con el resultado del radio muónico y no con muchos de los resultados previos de extracción por dispersión de electrones ".

Una ventana a la nueva física

La búsqueda para resolver esta discrepancia no es de pura curiosidad; el valor de esta cantidad tiene efectos de gran alcance. Por ejemplo, un resultado más preciso puede revelar áreas inexploradas de la física nuclear y de partículas.

"Puede ser una ventana para la nueva física. Si no podemos conciliar diferentes medidas para el radio del protón, tal vez sea porque hay una nueva física que no entendemos o que no tenemos en nuestra teoría. Esa es una de las razones por las que este radio de protones es tan importante, "explicó Alarcón.

Cuando se les preguntó si creen que esta es la determinación final para esta cantidad, los cuatro investigadores objetaron.

"La ciencia es un proceso de refinamiento sucesivo de ideas y métodos, en el que nuestra comprensión actual es solo una etapa desde la que pasamos a teorías y experimentos más precisos, "dijo Weiss.

Por ahora, señalan varios estudios experimentales recientes que utilizan tecnologías más nuevas para medir el valor con una precisión aún mayor, incluido el experimento PRad que tomó datos de dispersión de electrones en el Salón Experimental B de Jefferson Lab en 2016. Se llama así por su objetivo:una medición cada vez más precisa del radio del protón.

"El resultado de PRad se publicará este año. Será interesante ver si el nuevo resultado puede confirmar nuestro análisis científico". "dijo Ye.