2010/07/08

el tamaño del protón

El protón es una partícula minúscula que junto con el neutrón forman el núcleo de los átomos. Resulta que estos protones son más pequeños de lo que se pensaba. Nuevas medidas del Instituto Paul Scherrer en Suiza dan como radio del protón un valor de 0,84184 femtómetros (un femtómetro equivale a una milbillónesima parte de un metro), un 4% más pequeño que los valores medidos anteriores. (Para comparar, el grosor de una hoja de papel en relación con el radio de la Tierra da lo mismo que el radio del protón en relación con el grosor de la misma hoja.) No parece mucho pero tiene consecuencias importantes para la física. Ya se pueden imaginar lo tremendamente difícil que es medir el tamaño de algo tan minúsculo.

El experimento para calcular el radio consistió en un gas de hidrógeno en el cual se intercambiaron los electrones de los átomos por muones. Un muón es una partícula muy parecida al electrón pero 200 veces más pesada. Lo importante aquí es que tienen exactamente la mísma carga. Resulta que puede adquirir el sitio del electrón (expulsando este) en un átomo de hidrógeno que está estabilizado por la interacción electroestatica entre el núcleo de carga positiva y el muón con carga negativa. Debido al peso mayor, las órbitas del muón - su manera de moverse en el átomo - se ven alteradas en comparación con el electrón. Y este cambio en el movimiento facilitió una medida tan exacta.


En un átomo excitado, el muón se encuentra en una órbita con mayor energía que en su órbita fundamental, su estado preferido. Eventualmente decae, esto significa que el muón se pase de la órbita alta a la baja, expulsando por el camino un fotón. La energía de este fotón tiene la misma energía que la diferencia de los dos niveles. Además, la energía es característica para el sistema protón-muón y depende del radio del protón. Al detectar la energía de estos fotones los investigadores pudieron calcular el radio del protón, que resultó ser más pequeño de lo que habían esperado.

Aunque una diferencia de sólo 4 por ciento de las medidas anteriores parece poco, tiene implicaciones para la física. Por desgracia, hasta los mismos cientificos desconocen el origen de esta discrepanica. Puede que las teorías usadas no resulten ya lo suficientemente exactas y necesiten nueva adaptación. O que no se acabe por entender completamente la naturaleza del muón y su manera de interactuar con el protón. Este es uno de esos casos en donde un experimento deja más prequntas por contestar de las que inicialmente se querían resolver.

Pohl, R., Antognini, A., Nez, F., Amaro, F., Biraben, F., Cardoso, J., Covita, D., Dax, A., Dhawan, S., Fernandes, L., Giesen, A., Graf, T., Hänsch, T., Indelicato, P., Julien, L., Kao, C., Knowles, P., Le Bigot, E., Liu, Y., Lopes, J., Ludhova, L., Monteiro, C., Mulhauser, F., Nebel, T., Rabinowitz, P., dos Santos, J., Schaller, L., Schuhmann, K., Schwob, C., Taqqu, D., Veloso, J., & Kottmann, F. (2010). The size of the proton Nature, 466 (7303), 213-216 DOI: 10.1038/nature09250

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