¿Cómo se mide el ancho de un protón?

Una regla no ayudará y tampoco un microscopio. En lugar de, Implica romper electrones en protones a casi la velocidad de la luz, luego midiendo qué tan lejos viajan los electrones cuando rebotan, o esparcir, de los protones.

Este método se llama dispersión de electrones, y se utilizó una nueva versión en el Laboratorio Jefferson por primera vez, proporcionando una de las mediciones más precisas jamás realizadas para el radio de carga de un protón.

Los físicos que se pasan la vida explorando el universo subatómico dicen que estos resultados acercan a la ciencia a resolver el "rompecabezas del radio del protón", o explicar por qué diferentes métodos experimentales a lo largo de los años han producido dos medidas diferentes.

Por mucho tiempo, el radio del protón se midió a 0,88 femtómetros (fm). Luego, en 2010, surgió un tipo diferente de experimento con 0.84 fm, o aproximadamente un 4% más pequeño.

¿Por qué importaría una diferencia del 4% en una escala infinitesimal?

Para uno, dijo Ashot Gasparian, profesor de la Universidad Estatal A&T de Carolina del Norte y líder del equipo de experimentos, el protón, que se encuentra en el corazón del átomo, se encuentra en la intersección de tres ramas principales de la física:atómica, nuclear y de partículas. Entonces, incluso una pequeña diferencia es un gran problema:algunos físicos incluso especularon que los resultados de 2010 podrían indicar una quinta fuerza de la naturaleza.

Y, Por otro, Las mediciones más precisas de partículas subatómicas ayudan a perfeccionar el modelo estándar de física de partículas, una plantilla que ayuda a explicar cómo funciona el universo.

Así que en 2012 Gasparian y su equipo trabajaron para idear un nuevo tipo de experimento de dispersión de electrones, el primer método nuevo en medio siglo, para medir el radio de los protones. Llamado el experimento PRad, se le dio alta prioridad en Jefferson Lab y su potente acelerador CEBAF.

"La gente buscaba respuestas, "Dijo Gasparian." Pero para hacer otro experimento de dispersión electrón-protón, muchos escépticos no creían que pudiéramos hacer nada nuevo ".

Todavía, el equipo ideó tres herramientas y métodos.

El primero fue implementar un nuevo tipo de sistema objetivo sin ventanas que esencialmente permitía que los electrones dispersos se movieran sin problemas hacia los detectores.

El segundo fue usar un calorímetro en lugar de un espectrómetro magnético tradicional para detectar y medir las energías y posiciones de los electrones dispersos. mientras que un multiplicador de electrones de gas recién construido también detectó las posiciones de los electrones con una precisión cada vez mayor.

Y el tercero fue colocar estos detectores extremadamente cerca en una distancia angular de donde el haz de electrones golpeó el objetivo de hidrógeno.

"En la dispersión de electrones, para extraer el radio, tenemos que ir a un ángulo de dispersión lo más pequeño posible, "dijo Dipangkar Dutta, miembro del equipo y profesor de la Universidad Estatal de Mississippi. "Para obtener el radio del protón, necesitas extrapolar a un ángulo cero, al que no puede acceder en un experimento. Así que cuanto más cerca de cero puedas estar, el mejor."

La medida que se le ocurrió al equipo fue de 0,831 fm, esencialmente confirmando la medición de 2010. Sus resultados frustraron las esperanzas de los físicos que habían soñado con una quinta fuerza.

"El experimento PRad parece cerrar la puerta a esa posibilidad, "dijo Dutta." Esto aún no se ha confirmado con experimentos similares, pero ahora mismo parece así ".

Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista Naturaleza . El equipo ya está trabajando en más experimentos en Jefferson Lab para disminuir aún más la incertidumbre en el radio del protón. Dijo Gasparian. Mientras tanto, algunas otras instalaciones de física nuclear de todo el mundo están haciendo lo mismo.

"Si se mejora aún más la precisión, "dijo Gasparian, "podría mostrar que hay una pequeña diferencia, y eso será muy importante para descubrir nueva física. También, esta misma técnica se puede aplicar no solo para medir el tamaño del protón, sino también para otros tipos de medidas en las que podríamos mirar más allá de la física del Modelo Estándar ".

¿A dónde podrían conducir esos esfuerzos algún día en el mundo real?

"Eso es muy difícil de predecir, "dijo Dutta." Porque siempre que haces ciencia básica nadie sabe cuál será la aplicación final ".

Pero hay precedentes importantes, él dijo. Resonancias magnéticas, o escáneres de imágenes por resonancia magnética, vino de alguien que intentó medir el giro del protón en la estructura molecular. Transistores de silicio, que revolucionó la electrónica, surgió de alguien jugando con pedazos de silicio para descubrir cómo se comportan. Y las terapias de protones para tratar el cáncer provienen de alguien que intenta medir cómo el protón deposita su energía a medida que atraviesa los materiales.

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