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El protón parece ser 0,00000000000003 milímetros más pequeño de lo que los investigadores habían pensado anteriormente, de acuerdo con un trabajo publicado en el ejemplar de Nature de hoy¹.

La diferencia es tan infinitesimal que podría llevar a pensar que para nadie, ni siquiera para los físicos, tendría importancia. Pero las nuevas medidas podrían indicar que hay un hueco en las teorías existentes de la mecánica cuántica. “Es una discrepancia muy seria”, dice Ingo Sick, físico en la Universidad de Basilea en Suiza, que ha tratado de reconciliar el hallazgo con cuatro décadas anteriores de medidas. “Hay algo realmente mal en algún sitio”.

Los protones están entre las partículas más comunes. Junto con sus homólogos neutros, los neutrones, forman los núcleos de cada átomo del universo. Pero a pesar de esta apariencia cotidiana, los protones siguen siendo un misterio para los físicos nucleares, 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.

Desde lejos, los protones parecen un pequeño punto de carga positiva, pero en una inspección más cercana, la partícula es más compleja. Cada protón está formado de partículas fundamentales menores, llamados quarks, y 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 femtometro = 10^-15 metros).

Pequeña maravilla

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.

Esto podría sonar a que no es mucho, pero la diferencia es tanta respecto a anteriores medidas que los investigadores descartaron los dos primeros experimentos en 2003 y 2007. “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. Dice que cree que el nuevo resultado es correcto, pero que no hay una forma obvia de hacerlo compatible con las medidas de años anteriores.

“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.

Pero, 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”.

Autor: Geoff Brumfiel
Fecha Original: 7 de julio de 2010
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