Resuelto el problema del radio del protón

Por Francisco R. Villatoro, el 15 septiembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 8

El problema del radio de carga del protón nació en 2010. La medida más precisa, que usaba el hidrógeno muónico, arrojó un valor un 5% más pequeño del estimado con el hidrógeno (electrónico); la diferencia era de ocho sigmas de significación estadística. ¿Nueva física? Lo siento, pero no. Nuevas medidas usando el átomo de hidrógeno (electrónico) revisan a la baja valores anteriores. La última se publica en Science: el radio del protón es 0.833 ± 0.010 femtómetros, medido con el desplazamiento Lamb del átomo de hidrógeno. Esta medida parece definitiva, por lo que ya se ha revisado el valor CODATA 2018 a 0.8414 ± 0.019 femtómeros. Así podemos afirmar que el problema del radio de carga del protón se ha resuelto: era más pequeño de lo que se pensaba en 2010.

El desplazamiento Lamb es la diferencia de energía entre los niveles energéticos 2S y 2P en el átomo de hidrógeno debido a la electrodinámica cuántica. El electrón en el átomo de hidrógeno es una excitación del campo cuántico electrónico ligada al protón de su núcleo por una interacción electromagnética. Quizás te parezca imposible, pero parte de esta excitación del campo electrónico está en el interior del protón (sí, has leído bien, el “electrón” no solo “orbita” el exterior del protón, sino que también “pasa tiempo” en su interior). Gracias a ello el desplazamiento Lamb es diferente si el protón es puntual o tiene cierto radio de carga. Así, una medida de muy alta precisión del desplazamiento Lamb permite estimar el radio de carga del protón. El nuevo resultado confirma el cálculo usando el hidrógeno muónico. Combinado con otras medidas recientes independientes no queda otro remedio que revisar el valor CODATA y aceptar que el protón es más pequeño de lo que se pensaba.

El nuevo artículo es N. Bezginov, T. Valdez, …, E. A. Hessels, “A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius,” Science 365: 1007-1012 (06 Sep 2019), doi: 10.1126/science.aau7807; un buen resumen de la situación actual en Dipangkar Dutta, “The Proton Radius Puzzle: Experimental Status and Outlook,” XLIX International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD2019), 13 Sep 2019 [indico slides]. A nivel divulgativo recomiendo Natalie Wolchover, “Physicists Finally Nail the Proton’s Size, and Hope Dies,” Quanta Magazine, 11 Sep 2019.

En este blog puedes leer “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”, LCMF, 08 jul 2010; “El deuterio muónico confirma el misterio del radio del protón”, LCMF, 12 ago 2016; “La solución más sencilla al misterio del radio del protón”, LCMF, 23 ago 2016; “Novedades sobre el problema del radio del protón”, LCMF, 6 oct 2017; entre otras piezas.

Esta figura resume la situación en el año 2013. Las medidas con muones arrojaban un valor a casi ocho sigmas del valor oficial CODATA 2010, que se había estimado usando medidas espectroscópicas y de dispersión (scattering) en el átomo de hidrógeno. Se propusieron muchas teorías para explicar esta discrepancia apelando a nueva física más allá del modelo estándar, como el incumplimiento de la universalidad leptónica (que para el campo electromagnético el electrón y el muón son indistinguibles salvo por su masa).

Esta figura de Dutta resume la situación actual, que ha cambiado mucho en los últimos meses. El nuevo artículo en Science está marcado como “Bezginov 2019 (H sepct.)”. No solo se ha rebajado el valor mediante esta medida espectroscópica, sino que también hay una medida por dispersión (marcada como “This work (ep scatt.)”. Así tanto las medidas más recientes y precisas mediante espectroscopia y mediante dispersión arrojan un valor compatible con un radio más pequeño. Por ello se ha revisado este mes el valor CODATA 2018, aunque la publicación oficial no será hasta la publicación de CODATA 2020.

Según la ecuación de Dirac aplicada al electrón los niveles energéticos 2S1/2 y 2P1/2 están degenerados en el átomo de hidrógeno, es decir, tienen la misma energía. Uno de los grandes acicates para el desarrollo de la teoría de renormalización aplicada a la electrodinámica cuántica (QED) fue que los experimentos indicaban que no estaban degenerados, existiendo una diferencia entre su energía, llamada desplazamiento Lamb (o también efecto Lamb). Su valor es de unos 1058 MHz (la frecuencia del fotón emitido en la transición electrónica 2P1/2 → 2S1/2); ya en 1981 se midió con un error de 9 kHz. Ahora en Science se publica una medida de la transición 2S1/2 (F = 0) → 2P1/2 (F = 1) que da 909.8717 MHz con un error de solo ±3.2 kHz (la F se refiere al estado hiperfino, mostrado en la figura). Este resultado se puede usar para estimar el radio del protón (cuyo valor cambia respecto a un protón puntual en un ~0.01%).

No quiero entrar en detalles relativos al equipo experimental usado en la nueva medida. Lo relevante es que el valor CODATA (Committee on Data for Science and Technology) 2014 para el radio de carga del protón era 0.8751(61) fm; mientras el obtenido analizando el efecto Lamb en la transición 2S→2P en el hidrógeno muónico era de 0.84087(39) fm. Resolver la discrepancia entre ambos valores ha requerido un gran esfuerzo en física experimental durante la última década. Como he comentado más arriba, la repetición (mejorada) de experimentos clásicos ha cambiado el valor medido con el hidrógeno (electrónico) acercándolo al obtenido con el hidrógeno muónico.

El resultado final obtenido, por sí mismo, no requiere revisar el valor CODATA actual. Sin embargo, se han publicado otra medida una la dispersión de electrones contra protones (el otro método estándar para medir el radio del protón) que han revisado, también a la baja, el valor del radio de carga. Así, la combinación de ambas medidas se ha concretado en una revisión de urgencia del valor CODATA actual ( CODATA 2018), que será publicada de forma oficial con el artículo que publique los datos de CODATA 2020. Así, para todos los interesados en este asunto, se puede dar por resuelto el problema. Las medidas más precisas, además de serlo, eran las más fiables. El protón ha resultado un poco más pequeño de lo que se pensaba hace diez años.



8 Comentarios

    1. Emilio, no se sabe, pero todo indica que se subestimaron los errores sistemáticos; como estos dependen del estado de la teoría (modelo), para un mismo experimento realizado con 20 años de diferencia su estimación puede variar mucho. El problema es que nadie se molesta en repetir el análisis de sistemáticos de los datos de experimentos pasados; lo habitual, como en este caso, es repetir el experimento y obtener nuevos datos.

  1. Francis, el otro día un compañero nos apuntaba la idea de que tal vez el concepto de “radio del protón”, pudiera ser un concepto más sutil de lo que parece. Y que podría no ser lo mismo medirlo “a baja energía”, es decir, estudiando el espectro de átomos electrónicos o muónicos, que estudiarlo “a alta energía”, es decir mediante la dispersión de electrones, o muones, de varios GeV, por protones.
    ¿Qué opinas? Gracias y saludos.

    1. Albert, se propuso como solución al problema, pero como ahora parece que no hay problema, ya dicha solución se puede descartar. Y, por cierto, no había discrepancia entre los resultados antes de 2010 mediante dispersión de electrones y espectroscopia del hidrógeno (electrónico); la discrepancia estaba en los resultados para el hidrógeno muónico y otros átomos muónicos.

  2. Hola Francis. Estupendo articulo como siempre.
    Cuál es la situación en el ámbito teórico? Es decir, existe alguna predicción teórica sobre el radio del protón?
    Muchas gracias

    1. Pedro, las hay pero son pobres, con un error del orden del 10%, luego no aportan nada a esta cuestión. Calcular en QCD en el retículo a la escala de energía del protón es extremadamente costoso a nivel computacional (una de las futuras aplicaciones de los ordenadores cuánticos será realizar este tipo de cálculos).

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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 15 septiembre, 2019
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