Verdaderamente puede que el protón sea más pequeño de lo que se creía. Unos experimentos con una forma exótica de hidrógeno hallaron en 2010 una desconcertante discrepancia con el tamaño que se aceptaba que tenía. Ahora, nuevas pruebas aportadas por un equipo rusoalemán apuntan también a un valor menor del radio del protón aun cuando es medido utilizando hidrógeno ordinario.

Los resultados, publicados el 5 de octubre en Science, podrían ser el primer paso hacia la resolución del quebradero de cabeza que ha estado haciendo que los físicos duden de sus mediciones más precisas e incluso de las teorías que más aprecian.

No obstante, “antes de llegar a esa resolución habrá que confirmar este nuevo valor”, dice Jan Berbauer, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Si otros laboratorios lo ratificasen, añade, «podríamos entonces tener la esperanza de que lo que ocurre es que los viejos experimentos estaban equivocados».

Panoplia de métodos

Durante décadas, el tamaño del protón se ha determinado por medio de una de dos técnicas. Los físicos atómicos usan la espectroscopía para medir los niveles de energía de los electrones que orbitan alrededor de los núcleos atómicos, que constan de un solo protón en el caso del hidrógeno o de más en núcleos mayores. El tamaño del núcleo afecta a esas energías porque los electrones pasan algún tiempo moviéndose a través del núcleo mientras giran a su alrededor.

Mientras, los físicos nucleares han usado una técnica similar a aquella con la que Ernst Rutherford descubrió el núcleo atómico. Golpean los átomos con haces de electrones que se mueven a alta velocidad y miden cómo rebotan.

A medida que la precisión fue mejorando, ambos métodos fueron coincidiendo aproximadamente en que el radio del protón era de unos 0,8768 fentómetros (billonésimas de milímetro).

En 2010, sin embargo, se realizó un nuevo tipo de experimento en el Instituto Paul Scherrer, en Villigen, Suiza, que rompió el consenso. Tras un decenio de intentos frustrados, una colaboración multinacional dirigida por Randolf Pohl, por entonces en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPC), en Garching, Alemania, midió las transiciones de energía no del hidrógeno ordinario, sino de un hidrógeno “muónico” creado en el laboratorio. Se trata de átomos donde el electrón está reemplazado por un muon, partícula como el electrón en la mayor parte de sus propiedades, pero con una masa 200 veces mayor. Esa partícula más pesada pasa más tiempo dentro del núcleo, lo que significa que el tamaño del protón tiene un efecto mucho mayor en las energías del muon, lo cual, a su vez, debería conducir a una determinación mucho más precisa del radio del protón.

El equipo de Pohl vio que el protón era un 4 por ciento más pequeño que el valor aceptado. Algunos conjeturaron que quizá algún fenómeno físico desconocido hasta ahora hacía que los muones actuasen de forma diferente que los electrones. Esto requeriría una revisión del modelo estándar de la física de partículas, que predice que los muones y los electrones tendrían que ser idénticos en todo menos en sus masas, y podría estar señalando la existencia de partículas elementales no descubiertas todavía.

Una técnica excitante

En el artículo recién publicado, Pohl, ahora en la Universidad de Maguncia, Alemania, y sus colaboradores explican que excitaron átomos de hidrógeno comunes, es decir, cuyos electrones eran ordinarios, con dos láseres diferentes. El primero enviaba a los electrones de los átomos a un estado excitado; el segundo, hasta una energía mayor. El equipo detectaba a continuación los fotones que los átomos emitían cuando sus electrones volvían a sus estados de excitación menos energéticos.

El equipo combinó esos datos con una medición anterior, muy precisa, para calcular la constante de Rydberg, que expresa la energía que le arranca el electrón a un átomo de hidrógeno, y usaron la teoría estándar para calcular el radio del protón a partir de esa constante. El valor que hallaron era compatible con el obtenido en la medición del hidrógeno muónico y un 5 por ciento menor que el radio «oficial» del protón.

El equipo, para asegurarse de que habían eliminado cualquier efecto experimental espurio, se pasó tres años analizando los datos, dice Lothar Maisenbacher, coautor del artículo y físico matemático del MPC.

Bernauer, que trabaja en la técnica de la dispersión de electrones sobre protones, está impresionado. “Es un gran experimento”, dice. “Creo que con esto han hecho que su campo avance de verdad”.

El cuidado que han puesto es «muy impresionante», y hace que sus mediciones sean más fiables que muchas otras, afirma Krzystof Pachuki, físico teórico de la Universidad de Varsovia, que pertenece al grupo de trabajo del Comité de Datos Científicos y Tecnológicos (CODATA).

CODATA, el organismo internacional que publica los valores mejor medidos de las constantes fundamentales, no ha pasado por alto el experimento de Maguncia. “Nos vamos a tomar este resultado muy en serio”, dice. El comité tiene que revisar el manual “oficial” de las constantes universales de la naturaleza el año que viene. Como consecuencia de este experimento, “lo más probable”, dice, es que CODATA cambie sus valores del radio del protón y de la constante de Rydberg.

Hacen falta más pruebas

Pero el grupo rusoalemán no está completamente en condiciones de sostener que el quebradero de cabeza está resuelto, sostiene Maisenbacher. “No hemos dado con ninguna razón concluyente por la que las demás mediciones no tuviesen que ser correctas”, asegura. “Nos gustaría ver más experimentos hechos por otros”.

Varios equipos de distintas partes del mundo están justo en ello. A Bernauer le interesan, por ejemplo, los resultados de un experimento espectroscópico que se está realizando en la Universidad York, de Toronto, Canadá. Si sus mediciones también arrojan un valor pequeño del radio del protón, “yo empezaría a creer que los datos antiguos son un problema”, comenta. Pero esto aún dejaría pendiente la cuestión de los resultados de los experimentos de dispersión de electrones sobre núcleos.

En esos experimentos, los investigadores se han valido de electrones cuyas energías caían dentro de un intervalo de energías diferentes. Calcular el tamaño del protón requería extrapolar hasta una situación ideal en la que los electrones tendrían energía nula.

Ashot Gasparian, físico de partículas y nuclear de la Universidad A&T del Estado de Carolina del Norte en Greensboro, y su equipo han efectuado hace poco un experimento en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, en Newport News, Virginia. Inyectaron gas de hidrógeno frío directamente en su acelerador de electrones en vez de bombardear hidrógeno líquido encerrado en una caja de plástico, como se hacía antes. Con esta técnica pudieron eliminar algunas incertidumbres experimentales y además utilizaron electrones con energías menores que en experimentos anteriores. En principio, así se podrá dejar claro si las extrapolaciones anteriores fueron erróneas, y si lo fueron, dónde estuvo el error. Están ahora analizando sus datos y esperan tener resultados el año que viene. «El partido se juega ahora en nuestro campo», dice Gasparian.

Fuente: investigacionyciencia.es