La medida más precisa del radio de un protón en un hidrógeno muónico arroja un valor un 5% más pequeño de lo obtenido con hidrógeno electrónico

La mejor medida del diámetro de un protón utilizando el efecto Lamb en el hidrógeno muónico (en el que un muón sustituye al electrón) arroja un valor que es un 5% más pequeño de lo esperado. El muón es más pesado que el electrón por lo que el hidrógeno muónico es más pequeño y permite estudiar mejor el tamaño de su núcleo (un protón) si se mide con un haz de muones. La electrodinámica cuántica (QED) predice el corrimiento Lamb teórico en este átomo exótico con gran precisión. Sorprende que el valor experimental sea mucho más pequeño de lo predicho. Y como muestra la figura, sorprende que una banda de error muy pequeña implique un corrimiento de la media de un 5%. O las bandas de error de las otras medidas son incorrectas o pasa algo desconocido con la electrodinámica cuántica aplicada al hidrógeno muónico. Un error de tanto bulto como el encontrado por Pohl et al. en el nuevo artículo en Nature parece muy difícil de explicar. Solo el estudio de otros átomos exóticos, como el deuterio muónico, permitirá decidir si la discrepancia apunta a un error experimental o a un error en el cálculo teórico. Todo físico teórico cuando acaba la carrera domina el cálculo de diagramas de Feynman en QED. Cuando un resultado experimental de alta precisión contradice los cálculos de la QED hay dos opciones. El experimento está mal o los cálculos que todo el mundo sabe hacer están mal hechos. Parece imposible que en 2010 ocurra esta segunda posibilidad. Pero no se puede descartar. ¿Cómo es posible que en 60 años de QED todavía los físicos teóricos cometan este tipo de errores? La física cuántica es sutil y la QED más aún. Nos lo ha contado Jeff Flowers, “Quantum electrodynamics: A chink in the armour?,” Nature 466: 195–196, 08 July 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Randolf Pohl et al., “The size of the proton,” Nature 466: 213–216, 08 July 2010.

En números, el corrimiento Lamb medido en el hidrógeno muónico ha sido de 49881’88(76) GHz, lo que implica, utilizando la QED un radio para el protón de 0’84184(67) fm (femtometros), que difiere en 5 desviaciones estándares del mejor valor conocido, obtenido por el expeirmento CODATA, que arrojó un valor de 0’8768(69) fm. Hay dos opciones. O el valor de la constante de Rydberg ha de ser desplazado en un valor −110 kHz/c (unas 4’9 desviaciones estándares), o el cálculo teórico de las correcciones de la QED para el hidrógeno y el hidrógeno muónico son insuficientes para describir el corrimiento de Lamb en dichos átomos.

PS: Recomendable la lectura de Geoff Brumfiel, “The proton shrinks in size. Tiny change in radius has huge implications,” News, Nature, Published online 7 July 2010 (traducido en Ciencia Kanija al español). Como muy bien traduce Kanijo y afirma Brumfiel “El protón parece ser 0’000 000 000 000 03 milímetros más pequeño de los que los investigadores habían pensado anteriormente, de acuerdo con un trabajo publicado en el ejemplar de Nature de hoy.” Visto en “¿Golpe para QED?,” Resumidero de Física, 8 Julio 2010, donde ponen el foco en la última frase del Abstract del artículo técnico : “Or the calculations of the QED effects in atomic hydrogen or muonic hydrogen atoms are insufficient” y comentan que “el último enunciado menciona como posibilidad de la discrepancia observada que los cálculos de los efectos producidos por QED sean insuficientes. ¿Alguna idea?

Yo también me apunto a su: ¿algún físico lector de este blog tiene alguna idea? Obviamente, necesitaréis ayuda. Una buena revisión del estado de conocimientos teóricos y experimentales sobre el corrimiento Lamb en el hidrógeno muónico se presenta en la tesis doctoral del segundo autor del artículo Aldo Sady Antognini, “The Lamb Shift Experiment in Muonic Hydrogen,” November 2005. El cálculo teórico clásico es el de Krzysztof Pachucki, “Theory of the Lamb shift in muonic hydrogen,” Phys. Rev. A 53: 2092–2100, 1996.

PS 2: Una noticia como esta no podía pasar desapercibida a Adrian Cho, “The Incredible Shrinking Proton?,” Science NOW, July 7, 2010. ¿Falla la QED? No creo, afirma Rudolf Faustov (físico teórico de la Academia de Ciencias de Moscú). Un protón es un amasijo de quarks y gluones lo que hace difícil determinar la fuerza electromagnética efectiva que hay que incluir en los cálculos de la QED para un hidrógeno muónico. Sin embargo, Krzysztof Pachucki (físico teórico de la Universidad de Varsovia) afirma que quizás haya nueva física involucrada en este experimento. Si debido a fluctuaciones cuánticos el protón contuviera pares electrón-positrón virtuales crecería la polarización del espacio en el hidrógeno muónico y se podría corregir la discrepancia en el corrimiento de Lamb sin necesidad de revisar el radio del protón en los libros de texto. Según Pachucki ese efecto sería el primero que él estudiaría a nivel teórico. ¿Recogerá el guante? Nada afirma al respecto.

PS 3 (14 julio 2010): Me ha gustado como ha contado esta noticia Christine Nattrass, “The size of the proton,” US LHC Blog, 12 Jul 2010. ¿Qué es el corrimiento de Lamb? Básicamente el electrón en un átomo no orbita el núcleo sino que su función de onda se distribuye alrededor del núcleo formando orbitales. Los orbitales de menor energía son el S (esférico) y el P (dos lóbulos). Estos orbitales tendrían la misma energía si el núcleo (protón en el hidrógeno) fuera puntual. Pero como el protón tiene radio finito, el electrón pasa más tiempo cerca del protón en el orbital S que en el P con lo que los niveles de energía se desplazan un poquito, muy poquito, el corrimiento de Lamb (depende de la masa del electrón y del radio del protón). En la nueva medida, el muón, 200 veces más pesado que el electrón, pasa más tiempo cerca del núcleo que el electrón, por lo que es más sensible al corrimiento de Lamb. O el cálculo teórico es erróneo (el protón es un objeto complicado), o hay un error experimental sistemático no considerado, o lo más excitante, el modelo estándar es erróneo. Seguramente la primera posibilidad es la solución y un nuevo cálculo teórico teniendo en cuenta algún efecto sutil que ahora se nos escapa acabará concordando con el experimento (así ha pasado muchas veces ya con la cromodinámica cuántica).

2 Comentarios

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fefino

Hola!
Estupendo resultado. Habrá que esperar a que se logre realizar más estudios con otros sistemas.
Me gustaría ver si puedes comentar algo sobre la precisión (y su contribución) de la función de estructura del protón a las escalas apropiadas para este tipo de fenómenos, que supongo ha sido explorada únicamente en dispersión electrón-protón.
Saludos…. -fefo

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