El neutrón es eléctricamente neutro (udd=+2/3−1/3−1/3=0), pero los experimentos de dispersión con electrones de alta energía permiten estimar su radio de carga. Se ha publicado en Nature Comunications una nueva medida del radio cuadrático medio de carga del neutrón, ⟨rₙ²⟩ = −0.110 ± 0.008 (fm²). Por convenio, el valor es negativo; la razón es que estos experimentos indican que el interior del neutrón está formado por una región central de carga positiva rodeada de una región de carga negativa; se suele decir que el quark arriba (u) se encuentra rodeado de los dos quarks abajo (d), o también que el neutrón se comporta como un protón rodeado de piones de carga negativa. Obviamente, que ⟨rₙ²⟩<0 no significa que rₙ sea una magnitud compleja (imaginaria pura); es solo un convenio.
El radio de carga del protón se puede medir por diferentes métodos, que han conducido a resultados incompatibles (el llamado problema del radio de carga del protón). Hoy en día parece que el problema está resuelto gracias a la concordancia de las últimas medidas con las obtenidas usando hidrógeno muónico que hicieron saltar las alarmas (LCMF, 01 dic 2020). Para la medida del radio de carga del neutrón había básicamente un solo método, la dispersión de electrones; a pesar de ello también había valores discordantes a más de dos sigmas, como ⟨rₙ²⟩ = −0.114 ± 0.0034 (fm²) y ⟨rₙ²⟩ = −0.134±0.009 (fm²); la causa parece estar en la estimación de la polarizabilidad eléctrica y otras correcciones. La nueva estimación se basa en combinar datos experimentales de CLAS y MAMI con datos de simulaciones numéricas de la QCD en el retículo (LQCD, por Lattice QCD). Aún tiene mayor incertidumbre que otras medidas, pero apunta a que en pocos años se podrá reducir hasta un valor comparable.
El artículo es H. Atac, M. Constantinou, …, N. Sparveris, «Measurement of the neutron charge radius and the role of its constituents,» Nature Communications 12: 1759 (19 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41467-021-22028-z, arXiv:2103.10840 [nucl-ex] (19 Mar 2021).
En el artículo me ha llamado la atención esta figura que muestra la estimación de la densidad de carga del neutrón (arriba) y del protón (abajo) en el sistema de referencia de momento infinito. La figura muestra una región de carga negativa rodeada de una región de carga positiva; en apariencia, los quarks abajo parecen concentrados en el centro y están rodeados por el quark arriba, lo que contradice que ⟨rₙ²⟩<0. La discrepancia es solo aparente, siendo debida al sistema de referencia usado; como se aclara en el artículo, el efecto de la magnetización en el sistema de referencia en reposo, que es negativa y muy grande en el neutrón, compite con la distribución de carga cambiando su signo en el centro de la distribución. Así que esta figura no contradice que ⟨rₙ²⟩<0.
Esta figura muestra el factor de forma eléctrico del neutrón GEn(Q²) que depende de ⟨rₙ²⟩ calculado para valores bajos del momento transferido. Se muestran los resultados experimentales de CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer) en el JLab (Jefferson Laboratory) en Newport News, Virginia, EE.UU., y de MAMI (MAinz MIcrotron) en la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz, Alemania, junto con la media de experimentos previos.
Esta figura los resultados obtenidos para el cociente entre los factores de forma eléctrico GEn y magnético GMn del neutrón. Se han usado dos métodos basados en la medida del cuadrupolo de Coulomb (CMR data) y del cuadrupolo eléctrico (EMR data); en la figura de abajo se comparan sus resultados con la media mundial y con los resultados numéricos de LQCD, y en la figura de arriba se muestra su combinación. Se observa un buen acuerdo entre LQCD y los resultados experimentales combinados de CLAS y MAMI. El resultado final para el radio de carga del neutrón se ha obtenido extrapolando la combinación de los datos experimentales apoyándose en los resultados LQCD (que alcanzan menor momento transferido).
En resumen, hemos oído hablar tanto del radio de carga del protón y tan poco del radio de carga del neutrón que podría parecer que este último no es interesante. Sin embargo, este nuevo resultado publicado en Nature Communications, que apunta a nuevos resultados en los próximos años, nos recuerda que también merece nuestra atención. Se midió a finales del siglo XX y no parecía que hubiera anomalías reseñables; pero los nuevos métodos de medida lo devuelven a la actualidad. Quizás aparezca alguna anomalía reseñable cuando la precisión de estas nuevas medidas mejore. Habrá que estar al tanto.