Se confirma la solución al problema del radio del protón

Por Francisco R. Villatoro, el 10 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Titulé hace dos meses que se ha “resuelto el problema del radio del protón”, LCMF, 15 sep 2019. Se publicó en Science que el radio de carga del protón era 0.833 ± 0.010 fm (femtómetros), lo que obligó a reajustar el valor oficial CODATA 2018. Aún así, en ciencia se requieren mútiples confirmaciones independientes. Se acaba de publicar en Nature una nueva confirmación, usando el método de dispersión de electrones contra protones se estima en 0.831 ± 0.014 fm. En los próximos años irá bajando el error, pero parece indiscutible que el radio de carga del protón es más pequeño de lo que se pensaba hace un par de años, como indicaban las medidas usando muones.

El experimento PRad (Proton charge Radius) en el Laboratorio Jefferson produce un haz de electrones con energía entre 1.1 GeV y 2.2 GeV que colisiona de forma elástica contra un blanco de protones (un gas de hidrógeno crioenfriado con una densidad efectiva de 2 × 1018 atoms per cm2); la medida se realiza con calorímetros híbridos (HyCal) con un gran ángulo de aceptación (0.7°–7.0°). Gracias a ello se cubre un amplio rango de transferencias de momento lineal, dos órdenes de magnitud (Q2 desde 2.1 × 10−4 GeV2/c2 hasta 6 × 10−2 GeV2/c2). Aplicando la electrodinámica cuántica (QED) a la interacción elástica ep → ep se calcula la amplitud de dispersión (scattering) que depende del radio de carga del protón; así se logra estimar este último.

El nuevo artículo es W. Xiong, A. Gasparian, …, Z. W. Zhao, “A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment,” Nature 575: 147-150 (06 Nov 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1721-2; más información divulgativa en Jean-Philippe Karr, Dominique Marchand, “Progress on the proton-radius puzzle,” Nature 575: 61-62 (06 Nov 2019), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03364-z.

[PS 08 dic 2019] Por cierto, el tamaño de un protón dentro de un núcleo es mayor que el de un protón libre (o en un átomo de hidrógeno), según los modelos efectivos del núcleo y los cálculos con QCD en el retículo. Los detalles en Gerald A. Miller, “Confinement in Nuclei and the Expanding Proton,” Phys. Rev. Lett. 123: 232003 (03 Dec 2019), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.232003, arXiv:1907.00110 [nucl-th] (28 Jun 2019). [/PS]

Las medidas atómicas (por espectroscopia) y nucleares (por scattering) indican que el radio de carga del protón medido usando muones coincide con el medido con electrones; la incertidumbre de las medidas con electrones anteriores a 2010 estaban erradas (existían errores sistemáticos no considerados). La actualización del valor oficial CODATA 2018 ya es firme. Quienes soñaban con nueva física asociada a la discrepancia entre las medidas con muones y electrones estarán decepcionados; pero así son las cosas, cuando la Naturaleza habla, lo hace con voz firme.

Una cuestión que muchos lectores de este blog se plantearán es por qué las medidas usando electrones anteriores a 2010 estaban equivocadas. No tengo respuesta y no creo que se financie una investigación específica para evaluar de forma crítica dichos resultados. Quizás haya historiadores de la ciencia que traten de explicarlo. Pero, por desgracia, lo habitual en estos casos es que la ciencia progrese hacia adelante sin mirar hacia atrás. La respuesta oficial es que había errores sistemáticos no considerados, lo que hizo que se subestimaran las incertidumbres. Así las medidas previas son compatibles con las nuevas, pero entonces no se sabía y lo hemos desvelado ahora.

En resumen, lo más importante es que se reivindican las medidas de muy alta precisión realizadas con muones. Así, las medidas con electrones solo nos sirven para ratificar que conocemos el radio de carga del protón con enorme precisión. Tras un esfuerzo de una década conocemos mejor a la partícula propuesta por Rutherford en 1919 para explicar el núcleo del átomo de hidrógeno.



2 Comentarios

  1. El titular es un poco engañoso. Si he entendido bien, la discrepancia entre las medidas asociadas a la interacción muon-proton y electrón-proton sigue sin estar resuelta. Pero se entiende un poco mejor, al parecer.

    1. Pues yo veo que los valores tomados están dentro del margen de error el uno del otro…. Eso en la práctica que yo sepa implica que son el mismo valor…..

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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 10 noviembre, 2019
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