La confirmación definitiva de la solución del problema del radio de carga del protón

Por Francisco R. Villatoro, el 1 diciembre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Cine • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 11

En 2019 publiqué que se había «resuelto el problema del radio del protón» (LCMF, 15 sep 2019). Dicha solución ocultaba un resquicio (o loophole), la medida de la constante de Rydberg; para que la solución fuera definitiva se requería una medida independiente. Se publica dicha medida en Science, siendo la constante de Rydberg medida R = 10 973 731.568 226(38) m−1 (por metro), gracias a la medida de la transición electrónica 1S-3S del hidrógeno, f1S-3S = 2 922 743 278 665.79(72) kHz (kilohercios), lo que ofrece un radio de carga del protón de rp = 0.8482(38) fm (femtómetros). Un valor en perfecto acuerdo con las medidas usando muones y con la nueva media mundial CODATA2018 que las tenía en cuenta (el valor CODATA 2014 ya es historia pasada). En ciencia decir que un problema se ha resuelto de forma definitiva es casi imposible, ya que siempre hay algún resquicio (loophole). Sin embargo, como ya dije en 2019, podemos afirmar que el consenso científico es que el problema del radio del protón ya ha sido resuelto.

La obsesión de los científicos por tener en cuenta todos los posibles detalles para aceptar los hechos puede parecer próxima al trastorno obsesivo-convulsivo para los legos. Para cambiar la «verdad científica» aceptada por la comunidad, lo que Thomas Kuhn llamaría cambiar el «paradigma», se requiere el enorme esfuerzo de escrutar todos y cada uno de los posibles resquicios concebibles. No basta un experimento para falsarla, como algunos legos interpretan de las palabras de Karl Popper. Siempre se requiere el diseño de nuevos experimentos en los que todos los sesgos que ocultan resquicios hayan sido eliminados. La crisis y la resolución del problema del radio del protón se ha completado con cuatro artículos en las revistas más prestigiosas: Nature (2010), Science (2016), Science (2019) y Science (2020). La posibilidad de que se ocultara nueva física detrás del problema del radio del protón bien merecía la máxima atención.

La medida cada vez con mayor precisión de todas las constantes fundamentales sigue siendo el camino más firme para desvelar señales de nueva física más allá del modelo estándar (el paradigma aceptado en la actualidad en física fundamental). El nuevo artículo es Alexey Grinin, Arthur Matveev, …, Thomas Udem, «Two-photon frequency comb spectroscopy of atomic hydrogen,» Science 370: 1061–1066 (27 Nov 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.abf0589; a nivel divulgativo recomiendo leer a Wim Ubachs, «Crisis and catharsis in atomic physics,» Science 370: 1033 (27 Nov 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.abf0589. ¿Se concederá un futuro Premio Nobel de Física a la resolución de este problema? Quizás, pero yo no lo afirmaría con rotundidad.

La estructura electrónica del átomo de hidrógeno (cómo se distribuyen los electrones en diferentes niveles energéticos) depende de dos parámetros principales, la constante de Rydberg R, que determina la escala de energía de toda la física atómica y la química, y el radio de carga del protón de rp. Hay diversos experimentos para medir ambos parámetros, como la medida de la transición 1S–2S que permite alcanzar 15 dígitos de precisión (ya que el nivel 2S tiene una larga vida, ∼1 s, y no está afectado por el principio de indeterminación de Heisenberg); también se pueden usar las transiciones entre el nivel 2S y diferentes niveles nS, nP, o nD (llamados estados de Rydberg). También se pueden realizar medidas del desplazamiento Lamb (la separación de los niveles 2S–2P). Finalmente, se puede medir el radio del protón de forma independiente usando medidas de dispersión (scattering) electrón-protón. En 2010 todos estos métodos apuntaban a un valor de 0.88 fm; pero la medida usando el hidrógeno muónico (un protón rodeado de un muón en lugar de un electrón), se obtuvo un valor de 0.84 fm de precisión extrema (porque la masa del muón es 207 veces mayor que la del electrón). Una crisis en toda regla.

Ha costado diez resolver la crisis, en un camino que no ha sido fácil. Por ejemplo, la medida de la transición 1S–3S en 2018 usando un esquema experimental basado en un láser en modo continuo apoyaba el valor de 0.88 fm. El nuevo artículo propone un esquema experimental basado en un láser en modo peine de frecuencias para la medida de la transición 1S–3S. Su configuración (mostrada en la figura de abajo) permite una medida de mayor precisión; el resultado ahora apoya el valor de 0.84 fm, además de permitir una medida precisa independiente de la constante de Rydberg. Sin lugar a dudas, la historia de la resolución del problema del radio del protón merece un capítulo estelar en los libros de la historia de la ciencia y un ejemplo ideal de cómo funciona la sociología de la ciencia.

El resultado del nuevo artículo está basado en la espectroscopia de dos fotones basada en peine de frecuencias (two-photon frequency comb spectroscopy). Se usa un peine de frecuencias con láseres con frecuencias wn = n wr + w0, con wr = 2π × 315.2 MHz, y con w0 < wr; el número entero n etiqueta las ≈3000 modos (o líneas) láser alrededor de n ≈ 1.16 × 106. Para la medida de la frecuencia de cada uno de estos modos se usa otro peine de frecuencias llamado de autorreferencia («fs–frequency comb» en la figura). No quiero entrar en detalles del esquema experimental (que de hecho se describe en detalle en otros artículos previos de los propios autores). Lo más relevante es que este esquema de medida de alta repetición que alcanza una potencia de 50 mW de radiación a 205 nm con pulsos de 2.0 ps (picosegundos) de duración (FWHM por full width half maximum). El esquema permite cuadriplicar la frecuencia de muestreo a lo que suele ser habitual en la espectroscopia de dos fotones, llegando a alcanzar 315.2 MHz.

En resumen, el problema del radio de carga del protón ha protagonizado muchas piezas en este blog. Aunque ya parezca resuelto, no te negaré que si se producen nuevos avances acabaré publicando más al respecto. Lo maravilloso de la ciencia en construcción es que está viva, mientras que la ciencia que se disfruta en los libros de texto está muerta. Los avances y los retrocesos en nuestro conocimiento de frontera son apasionantes. Los que amamos aprender y aprehender ciencia en acción disfrutamos con el paso firme marcado por los avances en los dispositivos experimentales de precisión. No solo de ciencia revolucionaria se debe nutrir la divulgación científica.



11 Comentarios

  1. Gracias por esta gran entrada Francis. Y mientras, seguimos todos pendientes de Fermilab y su medida 4 veces mas precisa del momento magnético del muon. Habiendo salido un calculo teórico este verano de un consorcio internacional, si la discrepancia se mantiene, habra que empezar a fijar mucho la atención en este tema que podría muy pronto abrir una puerta increíble a nueva física…

  2. Hola Francis, quizás mi pregunta quedó respondida pero no pude verla en los detalles del artículo ¿hay también una explicación de porqué los métodos previos al 2010 y el esquema experimental basado en un láser en modo continuo daban el valor de 0.88?

    Sin eso en explicado, el problema no puede declararse «resuelto».

    1. Trapiche, la idea de que los experimentos fallan es una falacia; los experimentos eran correctos, pero por errores sistemáticos y estadísticos tenían una incertidumbre y unos sesgos que falseaban el resultado. Solo cuando nuevos experimentos logran incertidumbres menores se desvela la existencia de dichos sesgos, aunque nadie se pone a estudiar en detalle cuáles eran, pues es muy difícil identificarlos y no ayuda en nada al progreso de la ciencia.

      En física de partículas, prácticamente para todas las magnitudes físicas, una gráfica con la evolución histórica de los valores observados y sus intervalos de incertidumbre muestra que los valores más recientes tienen menor incertidumbre y están alejados de los valores y de los intervalos de incertidumbre que se estimaban en el pasado.

    1. Luis, hay varias definiciones (más o menos) equivalentes entre sí. La más sencilla es que el radio de carga del protón es el cociente entre la longitud de onda de Compton del protón, h/(m c), y pi/2. Una definición más rigurosa se obtiene a partir de los experimentos de scattering (dispersión) de electrones contra protones; los resultados de dichos experimentos muestran que la distribución de carga eléctrica del protón es equivalente a la de una esfera de cierto radio; desde el punto de vista teórico se calcula usando los factores de forma del protón (recuerda que es una partícula compuesta), que se estiman a partir de los experimentos de scattering; el resultado experimental es compatible con una esfera de carga de cierto radio.

  3. no entiendo como se puede medir el radio del proton, no es que el proton es un campo cuantico? o cuando se lo mide es como una particula? y ahi si tiene sentido decir que tienen un radio?

    1. Juan, el protón es resultado de la excitación de muchas campos cuánticos (gluones, quarks up, down, strange, anti-up, anti-down, anti-strange, fotones y bosones vectoriales débiles). Por fortuna, la QCD (y la EW) es una teoría renormalizable, lo que significa que para entender el protón a cierta escala de energía no hay que tener en cuenta la física a energías más altas. Así a baja energía, el protón se comporta como una partícula con carga eléctrica positiva distribuida en una región esférica de cierto radio; a baja energía no es posible observar la existencia de gluones, quarks, antiquarks o fotones en el interior del protón.

      Hasta finales de los 1960 la idea de que el protón era una partícula elemental estaba en perfecto acuerdo con todos los experimentos; los quarks eran entelequias matemáticas sin existencia física real que ayudaban a entender ciertas propiedades del protón que (hoy sabemos) ya apuntaban a su naturaleza como partícula compuesta.

      La renormalizabilidad es una de las propiedades más útiles de toda teoría efectiva. Por ello, tras el descubrimiento de la renormalizabilidad del modelo estándar muchos teóricos apoyaron la idea de que toda teoría fundamental debe ser renormalizable (de ahí que fuera un gran problema que la gravitación no sea renormalizable). Hoy en día no le damos tanta importancia a la renormalizabilidad y no la consideramos como una guía imprescindible para la teoría final (que bien podría ser no renormalizable).

Deja un comentario