Los protones son probablemente más pequeños de lo que se creía


Hace unos años, una nueva técnica de medición mostró que los protones son probablemente más pequeños de lo que se suponía desde la década de 1990. La discrepancia sorprendió a la comunidad científica; algunos investigadores incluso creían que habría que cambiar el modelo estándar de la física de partículas. Físicos de la Universidad de Bonn y la Universidad Técnica de Darmstadt ahora han desarrollado un método que les permite analizar los resultados de experimentos más antiguos y más recientes de manera mucho más completa que antes. Esto también da como resultado un radio de protones más pequeño a partir de los datos más antiguos. Por lo tanto, probablemente no haya diferencia entre los valores, sin importar en qué método de medición se basen. El estudio apareció en Physical Review Letters.

El protón (rojo) – tiene un radio de 0,84 femtómetros (fm). En la figura también se muestran los tres quarks que forman el protón y los gluones que los mantienen unidos. Crédito: Dr. Yong-Hui Lin/Universidad de Bonn

La materia está compuesta de átomos, que a su vez están compuestos de electrones, protones y neutrones. Los electrones tienen carga negativa; según el conocimiento actual, no tienen expansión, pero son puntuales. Los protones con carga positiva son diferentes: según las mediciones actuales, su radio es de 0,84 femtómetros (un femtómetro es la milmillonésima parte de un metro).

Sin embargo, hasta hace unos años, se pensaba que eran 0,88 femtómetros, una pequeña diferencia que causó gran revuelo entre los expertos. Porque no era tan fácil de explicar. Algunos expertos incluso consideraron que era una indicación de que el modelo estándar de física de partículas estaba equivocado y necesitaba ser modificado. «Sin embargo, nuestros análisis indican que esta diferencia entre los valores medidos antiguos y nuevos no existe en absoluto», explica el Prof. Dr. Ulf Meißner del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn. «En cambio, los valores más antiguos estaban sujetos a un error sistemático que hasta ahora se ha subestimado significativamente».

Jugando al billar en el cosmos de partículas

Para determinar el radio de un protón, uno puede bombardearlo con un haz de electrones en un acelerador. Cuando un electrón choca con un protón, ambos cambian su dirección de movimiento, similar a la colisión de dos bolas de billar. En física, este proceso se llama dispersión elástica. Cuanto más grande es el protón, con mayor frecuencia ocurren tales colisiones. Por lo tanto, su expansión se puede calcular a partir del tipo y la extensión de la dispersión.

Cuanto mayor sea la velocidad del haz de electrones, más precisas serán las medidas. Sin embargo, esto también aumenta el riesgo de que el electrón y el protón formen nuevas partículas cuando chocan. «A altas velocidades o energías, esto sucede cada vez con mayor frecuencia», explica Meißner. «A su vez, los eventos de dispersión elástica se están volviendo más raros. Por lo tanto, para las mediciones del tamaño del protón, hasta ahora solo se han utilizado datos del acelerador en los que los electrones tenían una energía relativamente baja».

Sin embargo, en principio, las colisiones que producen otras partículas también proporcionan información importante sobre la forma del protón. Lo mismo es cierto para otro fenómeno que ocurre a altas velocidades del haz de electrones, la llamada aniquilación de electrones y positrones. «Hemos desarrollado una base teórica con la que tales eventos también pueden usarse para calcular el radio del protón», dice el Prof. Dr. Hans-Werner Hammer de TU Darmstadt. «Esto nos permite tener en cuenta los datos que hasta ahora se han omitido».

Con este método, los físicos volvieron a analizar las lecturas de experimentos más antiguos y también muy recientes, incluidos aquellos que sugerían previamente un valor de 0,88 femtómetros. Sin embargo, con su método, los investigadores llegaron a 0,84 femtómetros; este es el radio que también se encontró en nuevas mediciones basadas en una metodología completamente diferente.

Entonces, el protón en realidad parece ser un 5 por ciento más pequeño de lo que se suponía en las décadas de 1990 y 2000. Al mismo tiempo, el método de los investigadores también permite nuevos conocimientos sobre la fina estructura de los protones y sus hermanos sin carga, los neutrones. Nos está ayudando a comprender un poco mejor la estructura del mundo que nos rodea: la silla, el aire, pero también las estrellas en el cielo nocturno.

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