viernes, 9 de julio de 2010

El proton es más pequeño de lo predicho

Mediciones con láser han puesto de manifiesto que el protón puede ser más pequeño de lo deducido por las teorías actuales.

El protón podría tener un menor tamaño al que hasta ahora se le ha asignado, lo cual pese a ser un diminuto cambio tendría enormes implicaciones.

Resulta que el protón parece ser 0,00000000000003 milímetros más pequeño de lo que los investigadores habían pensado anteriormente, de acuerdo a una investigación que publica en Nature.

La diferencia es tan ínfima, que podría creerse que para ninguna persona, incluyendo a los físicos, debería ser importante. Pero las nuevas medidas indicarían que hay espacios en la teoría de la mecánica cuántica, "Es una discrepancia seria" comenta Ingo Sick, físico de la Universidad de Basilea en Suiza, quien trata de conciliar el hallazgo con los descubrimientos logrados en las últimas cuatro décadas. “Hay algo realmente mal en algún sitio”.

Los protones están entre las partículas más comunes. junto a los neutrones, quienes forman los núcleos de cada átomo  que hay en el Universo. Pese a su cotidianidad, los protones aún representan un msiterio para los físicos nucleares, añade dice Randolf Pohl, investigador del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, y autor del artículo de Nature. “No comprendemos gran parte de su estructura interna”, comenta.

Parece que los protones son un pequeño punto de carga positiva, pero al estudiarlos de cerca, resulta ser una partícula más compleja. Cada protón está formado de partículas fundamentales menores, llamados quarks, y esto hace que su carga esté aproximadamente extendida sobre un área esférica.

Los físicos pueden medir el tamaño de un protón observando cómo los electrones interactúan con un protón. Un único electrón orbitando un protón puede ocupar sólo ciertos niveles discretos de energía, los cuales se describen a través de las leyes de la mecánica cuántica. Algunos de esos niveles de energía dependen en parte del tamaño del protón, y desde la década de 1960, los físicos han realizado cientos de medidas del tamaño del protón con una asombrosa precisión. Las estimaciones más recientes, realizadas por Sick usando datos anteriores, colocan el radio del protón alrededor de los 0,8768 femtometros (1 femtómetro = 10-15 metros).

Un partícula maravillosa

Pohl y su equipo han llegado a un número menor usando un primo del electrón, conocido como muón. Los muones son unas 200 veces más pesados que los electrones, lo que los hace más sensibles al tamaño del protón. Para medir el radio del protón usando el muón, Pohl y sus colegas dispararon muones desde un acelerador de partículas a una nube de hidrógeno. Los núcleos de hidrógeno constan de un único protón, orbitado por un electrón. A veces los muones reemplazan al electrón y orbitan al protón. Usando lásers, el equipo midió los niveles de energía muónica relevantes con una precisión muy alta y encontraron que el protón era aproximadamente un 4% menor de lo esperado.

Lo cual parecería no es una gran diferencia, sin embargo tal discrepancia hizo que en 2003 y 2007, consideraran descartar los experimentos. “Pensamos que nuestro sistema de lásers no era lo bastante bueno”, dice Pohl. En 2009, observaron más allá del estrecho rango en el que esperaban ver el radio del protón y vieron la inconfundible señal.

“¿Qué nos da esto? No lo sé”, dice Sick. Pese a que los resultados son correctos el problema ahora es hacer que sean compatibles con las teorías formuladas.

“Está muy claro que hemos pasado algo por alto”, concuerda Carl Carlson, físico teórico del College of William & Mary en Williamsburg, Virginia. La posibilidad más intrigante es que partículas anteriormente no detectadas estén cambiando la interacción entre el muón y el protón. Tales partículas podrían ser los ‘supercompañeros’ de las partículas existentes, como se predicen en una teoría conocida como supersimetría, la cual busca unificar todas las fuerzas fundamentales de la física, excepto la gravedad.

No obstante, comenta Carlson, “lo primero es revisar los cálculos existentes con mucho cuidado”. Podría ser que se haya cometido un error, o que las aproximaciones realizadas usando los cálculos cuánticos actuales simplemente no sean lo bastante buenas. “Ahora mismo, apostaría mi dinero en que se hace alguna corrección”, señala. Aquí es donde pasaré también mi tiempo de investigación durante el próximo mes”.

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