Novedades sobre el problema del radio del protón

Dibujo20171006 proton radius problem hydrogen spectroscopy sciencemag org

Nuevas medidas espectroscópicas del radio de carga del protón confirman los resultados obtenidos con hidrógeno muónico. El problema del radio del protón apunta a un error sistemático en las medidas espectroscópicas previas y mediante dispersión de electrones. Las nuevas medidas publicadas en la revista Science para la transición 2S-4P en el hidrógeno ofrecen un valor para la constante de Rydberg de R = 10973731,568076(96) por metro y para el radio de carga del protón de rp = 0,8335(95) femtómetros; este valor está a 3,3 sigmas del valor CODATA2014 y es compatible con el valor obtenido mediante hidrógeno muónico, en concreto, rE = 0,84087(39) fm, que está a 5,6 sigmas del valor CODATA2014.

Nadie sabe el porqué las medidas previas estaban sesgadas, pero parece que había errores sistemáticos en dichos experimentos. Su estudio detallado quizás permita, además de desvelar su origen, corregir dichas medidas resolviendo de forma definitiva el problema del radio del protón. El artículo es Axel Beyer, Lothar Maisenbacher, …, Thomas Udem, “The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen,” Science 358: 79-85 (06 Oct 2017), doi: 10.1126/science.aah6677; más información divulgativa en Wim Vassen, “The proton radius revisited,” Science 358: 39-40 (06 Oct 2017), doi: 10.1126/science.aao3969.

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Una predicción teórica precisa del radio del protón está más allá de lo que permite la QCD en el retículo (Lattice QCD). Su valor es cercano a 1 fm = 10−15 m, unas 60 000 veces menos que el radio de un átomo de hidrógeno, siendo su medida experimental el único camino posible. En el año 2010 ocurrió una sorpresa mayúscula, “La medida más precisa del radio de un protón en un hidrógeno muónico arrojó un valor un 5% más pequeño del obtenido con hidrógeno electrónico”, LCMF, 08 Jul 2010. El resultado fue confirmado por otras medidas posteriores, “El deuterio muónico confirmó el misterio del radio del protón”, LCMF, 12 Ago 2016.

Dibujo20171006 hydrogen 2S-4P spectroscopysciencemag org

“La solución más sencilla al misterio del radio del protón”, LCMF, 23 Ago 2016, era que las nuevas medidas eran las buenas y que las antiguas eran resultado de errores sistemáticos, como un cálculo incorrecto de la constante de Rydberg. Para confirmar esta última posibilidad hay que realizar medidas espectroscópicas en al menos dos frecuencias; para ello, en lugar de usar la transición 1S-2S hay que usar la transición 2S-4P del hidrógeno (electrónico). Axel Beyer (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Garching, Alemania) y varios colegas han realizado estas medidas espectroscópicas del átomo de hidrógeno y han obtenido un valor de la constante de Rydberg que sustituido en las expresiones de la QED que permiten calcular el radio de carga del protón dan lugar a un resultado compatible con el radio del protón medido en el hidrógeno muónico.

Dibujo20171006 experimental apparatus hydrogen 2S-4P spectroscopy sciencemag org

Por supuesto, todavía es pronto para afirmar que se ha resuelto de forma definitiva el misterio del radio del protón. Una sola medida experimental nunca es suficiente en ciencia. Otros grupos de investigación tienen que repetir los resultados de Beyer et al. y confirmar sus conclusiones (tanto con hidrógeno electrónico como con otros átomos más masivos). Aún así, todo apunta a que el misterio está próximo a ser resuelto.


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