La medida más precisa de la masa atómica del protón

Dibujo20170703 proton mass measurements arxiv 1706 06780

La masa del protón se puede medir de varias formas. La medida de la masa atómica del protón usando una trampa de Penning arroja un valor de mp = 1,007 276 466 583 (15) (29) u (unidades de masa atómica). Este valor tiene una precisión de 32 partes por billón y se desvía a tres sigmas del valor CODATA 2014. La nueva medida se basa en el cociente entre la frecuencia ciclotrón para un protón y un ión de carbono altamente ionizado.

La masa de los átomos de carbono cargados 12C6+ cumple que m(12C6+) = m(12C) − m(e) + Eb/c2, donde Eb es la energía de enlace de los electrones (estimada a partir de la energía de ionización). Por definición, m(12C) = 12 u, siendo m(12C6+) = 11,996 709 626 413 9(10) u (con una precisión relativa de 0,08 partes por billón). En la trampa de Penning se calcula la frecuencia ciclotrón ωc = q B /m para el protón y el ión. El resultado medido es ωc (12C6+)/ωc (p) = 0,503 776 367 662 4 (77) (146), a partir del cual se obtiene la masa estimada del protón.

El artículo es Fabian Heiße, Florian Köhler-Langes, …, Sven Sturm, “High-precision measurement of the proton’s atomic mass,” arXiv:1706.06780 [physics.atom-ph]. Más información divulgativa en Sophia Chen, “Protons are lighter than thought, which may solve a big puzzle,” New Scientist, 03 Jul 2017.

Dibujo20170703 sketch of the trap setup arxiv 1706 06780

La medida con alta precisión de la masa atómica del protón es muy importante en los estudios de la invarianza CPT, por ejemplo, para comparar la masa del protón y del antiprotón. Dado que el nuevo valor difiere bastante del valor CODATA 2014 habrá que esperar a que nuevas medidas confirmen (o refuten) la discrepancia observada. Tanto el problema del radio del protón, que difiere en átomos electrónicos y muónicos, como este nuevo problema nos recuerdan que la física del protón, incluso a baja energía, aún nos reserva muchas sorpresas.

Dibujo20170703 cyclotron frequency ratios protons and 12carbon6 arxiv 1706 06780

El experimento realizado es muy complicado porque se debe usar la misma trampa de Penning (con el mismo campo magnético) tanto para el protón como para el ión pesado (en este caso el ión de carbono, pero la trampa también permite estudiar otros iones). ¿Qué se oculta detrás de la discrepancia entre esta medida de ultraalta precisión y medidas previas? Quizás la causa sean errores sistemáticas en medidas previas, o quizás se oculte nueva física. Quien sabe… lo único importante es que la interacción fuerte a baja energía descrita por la QCD aún nos reserva muchas sorpresas.


2 Comentarios

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Andres GuzmanAndres Guzman

Si fueran solo 3 sigmas no sería tan importante supongo. Pero me parece que son “más sigmas” porque se desvía entre 1 y 3 sigmas de 4 valores experimentales (02, 06, 10 y 14) independientes (?).

GroovyGroovy

El experimento supone una convulsión en las entrañas de la materia. Modifica el valor de la masa del protón, el ratio de la masa protón-electrón, afecta a la masa “puzzle” del Helio-3, a las masas del protio y el deuterio y a la masa atómica del neutrón. Lo flipante del asunto es que el dispositivo admite mejoras, y nuevas sorpresas.

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