El deuterio muónico confirma el misterio del radio del protón

Dibujo20160812 measured resonance in muonic deuterium vs CODATA-2010 F2 sciencemag org

El deuterio es un electrón ligado a un deuterón, un protón ligado a un neutrón. En el deuterio muónico se sustituye el electrón por un muón. En teoría el radio de carga del deuterón no debería cambiar, pero al medirlo es más pequeño, según se publica en Science. Se explica el cambio porque el radio del protón se ha reducido. El hilo de Ariadna del famoso problema del radio del protón se enreda cada vez más.

Según el modelo estándar el radio del protón en el hidrógeno y en el hidrógeno muónico debería ser idéntico. Pero en el año 2010 resultó que “la medida más precisa del radio de un protón en un hidrógeno muónico arrojó un valor un 5% más pequeño de lo obtenido con hidrógeno electrónico” (LCMF). Ahora la medida más precisa del radio de un deuterón arroja un resultado similar. ¿Señal de nueva física más allá del modelo estándar? El físico “Álvaro de Rújula [pretendió] resolver el problema del increíble protón menguante” (LCMF) dentro del modelo estándar. Otros también lo han intentado. Pero sus soluciones no son satisfactorias porque predicen otros efectos que no han sido observados.

Quizás estemos ante una señal de física más allá del modelo estándar. O quizás hay algo que no tienen en cuenta los cálculos teóricos del radio del protón, como los fotones como partones. En cualquier caso el nuevo artículo es The CREMA Collaboration (Randolf Pohl et al.), “Laser spectroscopy of muonic deuterium,” Science 353: 669–673 (12 Aug 2016), doi: 10.1126/science.aaf2468. También te recomiendo Randolf Pohl, François Nez, …, François Biraben, “Deuteron charge radius from spectroscopy data in atomic deuterium,” arXiv:1607.03165 [physics.atom-ph].

Dibujo20160812 two measured resonances in muonic deuterium vs CODATA-2010 F2bis sciencemag org

Para medir el radio de un protón en un deuterio muónico, como en un hidrógeno muónico, se usa la espectroscopia. En este nuevo trabajo de la colaboración CREMA (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms) se basa en tres transiciones de Lamb 2S → 2P. Las dos figuras de más arriba muestran el resultado. Para explicarlo hay que suponer que el radio del protón está dado por μp+iso (en rojo) en lugar del valor CODATA-2010 (en morado). La diferencia es enorme.

Dibujo20160812 Deuteron radii discrepancy with the CODATA-2010 value F3 sciencemag orgEn las medidas del radio de un núcleo (sea el protón en el hidrógeno o el deuterón en el deuterio) hay que usar transiciones atómicas desde orbitales atómicos tipo S, cuya función de onda en el origen es máxima, donde reside el núcleo. El radio de Bohr en un átomo muónico es menor porque la masa del muón es 207 veces mayor que la del electrón. Como resultado las medidas espectroscópicas permiten determinar con mayor precisión el tamaño del núcleo (en realidad su radio de carga).

En el hidrógeno muónico el radio de carga del protón es 0,84087(39) fm, que es 10 veces más preciso que la medida en el hidrógeno (electrónico), pero un 4% más pequeño que el valor CODATA-2010. En el deuterio muónico el radio de carga del deuterón es 2,12562(78) fm, que es 2,7 veces más preciso, pero 7,5 sigmas más pequeño que el valor 2,1424(21) fm de CODATA-2010. La diferencia entre el radio del deuterón (electrónico) y del deuterón muónico es de 0,017 fm, es decir, un 0,8% más pequeño.

Dibujo20160812 Proton radii deduced from muonic hydrogen and from muonic deuterium vs CODATA-2010 value F4 sciencemag org

A partir de las nuevas medidas del radio del deuterón se puede estimar el radio del próton (en el deuterón). El resultado es 0,8356(20) fm (llamado μd+iso en la figura), compatible con el valor medido en el hidrógeno muónico, que como ya hemos dicho, es 0,84087(39) fm (llamado μp en la figura).

Lo importante de estas medidas no son los números, sino la dificultad de acomodarlos usando el modelo estándar. Por ello algunos físicos interpretan estas medidas como una señal de física más allá del modelo estándar. Pero hay que tener mucho cuidado con ello. El protón a baja energía en un núcleo atómico es mucho más complicado de lo que se suele contar (tres quarks ligados por gluones). Por ejemplo, el protón también contiene fotones (pues los quarks tienen cargas eléctricas), que no suelen ser tenidos en cuenta en muchos cálculos de su radio. Un artículo reciente es Aneesh Manohar, Paolo Nason, Gavin P. Salam, Giulia Zanderighi, “How bright is the proton? A precise determination of the photon PDF,” arXiv:1607.04266 [hep-ph]; te recomiendo leer a Tommaso Dorigo, “How Much Light Does A Proton Contain?” AQDS, 13 Jul 2016.

El cambio de electrón por un muón introduce efectos electromagnéticos en el interior del protón, debido a la presencia de fotones que actúan como partones (adicionales a los quarks y a los gluones). Quizás tener en cuenta dichos partones QED en las PDF (Parton Distribution Functions) permita resolver el misterio del radio del protón en los átomos muónicos dentro del modelo estándar. Reclamar la existencia de física más allá del modelo estándar es siempre el camino más fácil para evitar el trabajo duro que exige buscar una respuesta dentro del modelo estándar.

En resumen, el misterio del radio del protón nos recuerda dos cosas. Por un lado, que las señales de física más allá del modelo estándar aparecerán en estudios de precisión del propio modelo estándar. Y, por otro lado, que la QCD a baja energía es una teoría muy compleja, y que su interacción con la QED aún nos reserva secretos; el protón es mucho más complicado de lo que nunca pudimos imaginar.


3 Comentarios

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Francisco R. Villatoro

Por cierto, el protón lleva siendo una partícula compuesta desde que se descubrieron los partones alrededor de 1970 gracias a la observación de un interior haciendo chocar electrones contra protones. En los últimos 60 años hemos ido entendiendo mejor su interior, pero siempre ha sido bastante complicado porque la teoría actual (QCD) es muy complicada (no perturbativa) a dicha escala de energía. Las primeras estimaciones teóricas de la masa del protón, por ejemplo, usando Lattice QCD son de 2008 y tenían errores del 20%. Hoy en día, como hace 50 años, calcular mediante QCD la composición del protón con errores inferiores al 1% es imposible. No tenemos potencia computacional suficiente.

Por otro lado, las partículas fundamentales (electrón, neutrino, quark, fotón, gluón, etc.) son elementales (no tienen estructura interna) hasta las escala de energía que hemos explorado (unos TeV o unos 10^-19 m).

planck

Ahora que las esperanzas de que el LHC encuentre nueva Física casi han desaparecido el misterio del radio del protón constituye una de las mejores opciones que nos quedan de encontrar algo nuevo. La respuesta más probable es la que se explica en este artículo (es increíble que la sustitución del electrón por el muón pueda afectar la distribución de partones y explicar el 5% de diferencia del radio) sin embargo, existen aún esperanzas de que la respuesta pueda ser algo más trascendente. Concretamente, las dimensiones extra modificarían el potencial gravitatorio a muy cortas distancias, hay cálculos que indican que la existencia de dimensiones extra podrían explicar la discrepancia: http://revolucioncientifica.com/Las%...ocultas.asp
Lo mejor es que en los próximos años se podrá verificar esto experimentalmente observando la transición 2S-1S del átomo de hidrógeno ya que diversos escenarios de dimensiones extra predicen un desplazamiento de 2,1 meV. ¿Demasiado bonito para ser cierto? Probablemente, pero habrá que estar atentos a los experimentos de medida del radio del protón ya que ¿Puede existir un cambio más radical en la concepción del Universo que el descubrimiento de dimensiones extra?

planck

Por otro lado, este artículo pone de manifiesto una vez más lo extraño que es el núcleo atómico: una “bola” diminuta de entorno a 10exp-15 metros de radio donde una fuerza “extraña” confina una maraña de quarks, antiquarks y gluones que se mueven de forma frenética y constituyen el 99,995% de la masa de todo lo que vemos a nuestro alrededor. La distribución de la masa-energía dentro del núcleo atómico es, aproximadamente, la siguiente:
Masa total quarks y pares quark-antiquark virtuales: 12,3% masa del protón (Mp)
Energía cinética + Energía potencial de los quarks: 33,3% Mp
Energía cinética + Energía potencial de los gluones: 33,3% Mp
Energía termodinámica (temperatura y presión): 21% Mp
Esto significa que, aunque parezca increíble, el 88% de nuestra masa es pura energía concentrada
en un volumen diminuto. Como se dice en este artículo parte de esta energía son ¡FOTONES (algún iluminado verá aquí una predicción de la biblia: somos “seres luminosos” :-)
Por si todo esto no fuera increíble la verdadera naturaleza de la “misteriosa fuerza” que mantiene esta estructura unida puede involucrar algunas de las entidades más extrañas y fascinantes de la naturaleza: monopolos magnéticos, wormholes y entrelazamiento cuántico. Estas extrañas entidades podrían explicar porque existen todos los átomos de toda la materia que nos rodea. La ciencia tiene muchísimos retos por delante, probablemente los retos más trascendentes y complejos de toda la historia y pese a quien pese la ciencia no parará hasta conseguir explicarlos.

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