La medida más precisa del momento magnético del protón

Dibujo20140529 Experimental setup and measurement procedures - double penning-trap - proton magnetic moment - nature13388-f2

Confinando un solo protón en una trampa de Penning doble se ha logrado la medida más precisa de su momento magnético; en concreto µp = 2,792847350(9) μN, donde el magnetón nuclear μN = e ħ /(2 mp c). El método ya fue usado para medir el momento magnético del electrón (medido a 0,3 partes por billón). En el caso del protón la técnica es mucho más difícil de aplicar porque su momento magnético es unas 658 veces más pequeño. Por ello el error logrado es mucho mayor, unas 3,3 partes por millardo (109). Valor que hay que comparar con las medidas previas usando trampas de Penning que tenían un error de 2,5 partes por millón (por supuesto, había medidas indirectas mucho más precisas, basadas en espectroscopia del átomo de hidrógeno, que alcanzaban un error de 10 partes por millardo).

El artículo técnico es A. Mooser et al., “Direct high-precision measurement of the magnetic moment of the proton,” Nature 509: 596-599, 29 May 2014; más información en V. Alan Kostelecký, “Precision measurement: The magnetic proton,” Nature 509: 571-572, 29 May 2014.

Dibujo20140529 Relative precision achieved in measurements of the proton magnetic moment - nature13388-f1

¿Por qué interesa medir el momento magnético del protón con gran precisión? Para compararlo con el momento magnético del antiprotón (su antipartícula). Según el teorema CPT (consecuencia de la teoría de la relatividad y de la física cuántica) deben ser exactamente iguales. Cualquier pequeña desviación, una violación de este teorema, sería una señal de física más allá del modelo estándar (la mayoría de los físicos hablarían de una violación de la relatividad o simetría de Lorentz).

Usando trampas de Penning con electrones y positrones (sus antipartículas) se ha verificado que las violaciones del teorema CPT (si existen) son menores a dos partes en mil trillones (1021). Los físicos quieren confirmar dicho resultado con protones y antiprotones (que son partículas compuestas de quarks, antiquarks y gluones). El nuevo trabajo que se publica en Nature se considera un paso imprescindible para ello. Hay que verificar con rigor experimental todas las leyes fundamentales de la naturaleza.

Dibujo20140529 measured g-factor resonance for proton in penning trap - nature13388-f3

En una trampa Penning se mide el factor g = µpN mediante la medida del cociente de las frecuencias de ciclotrón y de Larmor para un protón sometido a un campo magnético constante. La homogeneidad del campo es clave para obtener una gran precisión en la medida. Sin embargo, con protones hay que utilizar campos magnéticos muy intensos; en el nuevo experimento se ha usado un campo B = 2,97(10) × 105 T/m2, unas 2000 veces mayor que el usado en los experimentos con electrones y positrones. Estos campos son poco homogéneos y para compensar este problema se utiliza una trampa de Penning doble que permite corregir su efecto.

Los dos centros de las trampas de Penning están separados 43,7 mm, una pequeña región en la que la falta de homogeneidad del campo magnético se reduce significativamente (es unas 75.000 veces menor que en el centro de cada una de las trampas). Por supuesto, el método admite futuras mejoras que permitirán mejorar la homogeneidad del campo en el punto de medida y aumentar con ello la precisión alcanzada (los autores esperan alcanzar un factor de diez en los próximos años).

2 Comentarios

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SebydeusSebydeus

Excelente el articulo. Muy bien explicado. Cambiando algo el tema, propongo al Dr Villatoro si podria publicar algun articulo sobre los avances en la creacion del GPS sin satelites, que utiliza particulas subatomicas alteradas por el campo magnetico de la tierra para darnos la posicion, siendo asi mucho mas preciso y diria que imposible de hackear. Una especie de GPS cuantico. Saludos

GalernaGalerna

Que importante acontecimiento de esta noticia para la física conocer más acerca del modelo estándar y de explicar cada vez con más detalle las características de las partículas cuánticas así como disponer de tan avanzada tecnología, trabajo mantenido y esfuerzo en investigación con un resultado codiciado ciertamente, e interesantísimo y seguro muy productivo en un próximo futuro.
Hay que resaltar lo que recoge este artículo y es que la nueva medición es muy precisa.
Describir esta característica del protón, medir su momento magnético, poder establecer modelos de predicción y comportamiento y con ello comprobar lo que las matemáticas a su vez predicen. Es una gran divulgación la que realiza el doctor Francisco Román Villatoro, es cierto y hay que ratificarle las gracias.

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