En la vida larga de un protón, 10 años es solo un instante. Estas partículas estables sin par,que son la base del núcleo atómico, no son propensas a la decadencia y la descomposición de algunos de sus hermanos subatómicos. La medición de su vida media al observar muchos de ellos aporta poco por un tiempo muy largo.Nuestra mejor estimación actual es que sobreviven por más de 1029 años - más de mil millones de mil millones de veces la edad del universo.
Diez años, sin embargo, es lo que le tomó a Randolph Pohl y sus colegas para mostrar que el protón no es todo lo que parece. Los resultados de sus experimentos en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villigen, Suiza, se publicaron en julio del año pasado. El protón no se había convertido de repente en menos estable. Sino que el era un poco más pequeño de lo que la teoría y experimentos anteriores permitían .
protones y neutrones en el núcleo atómico .Crédito Dorling Kindersley/Getty.
En el mundo hiperpreciso de la física subatómica, se trataba de dinamita. Una tormenta de fuego de debates y contradebates fué lo que siguió. Pero con la más simple explicación de la discrepancia que ahora acaba de encontrarse, parece que la disminución misteriosa del protón ha abierto un hueco fundamental en nuestra comprensión de lo que hace que los átomos existan. ¿Qué ocurre?
Todo lo referente a los protones, y de todas las partículas cargadas, es tratado por una teoría llamada electrodinámica cuánticao QED. Una de las facetas de la naturaleza que describe es la fuerza electromagnética, por ejemplo, cómo las idas y venidas de los fotones de luz mantienen a los electrones cargados negativamente orbitándo a los protones cargados positivamente y así hace que los átomos sean posibles. Más profundo en el núcleo atómico se encuentra el campo de una teoría compañera , lacromodinámica cuántica o QCD, la cuál describe cómo los protones son un conjunto de partículas más pequeñas - los quarks - y los gluones (los cuales unen a estos quarks). Juntas,la QED y QCD son los dos pilares de los físicos de partículas " orgullosos del logro, de su" modelo estándar ".
La vida interior de los protones es conocida por ser oscura e impenetrable . Aparentemente, sin embargo, todo parece dulzura y luz. Tome el radio del protón, cuyo valor aceptado se ha resuelto usando dos tipos diferentes de medición. La primera un enfoque directo es disparar electrones en la dirección general de los protones, como los perdigones de goma que se disparan a un pato de feria. Al medir en qué momento comienzan a rebotar, podemos tener una idea de donde los electrones encuentran a la carga difusa de los protones.
Travesuras del Muón.
El segundo método consiste en medir los niveles de energía orbital del electrón girando alrededor del protón central de un átomo de hidrógeno estándar. Los niveles de energía pueden ser introducidos en los cálculos de la QED para determinar hasta qué punto la carga de los protones se debe extender para mantener a los electrones en las órbitas.
Los resultados de estos dos enfoques están en buen acuerdo.El promedio que ellos dan del radio del protón es de 0.877 femtómetros, o una fracción en una billonésima de un milímetro.
Y así todo iba bien, hasta que Pohl y sus colegas se propusieron en la década de 1990 determinar el radio del protón usando un tercer, supuestamente más preciso método. Ellos crearon átomos parecidos al hidrógeno-en el que los electrones se sustituían por muones. Estas partículas tienen la misma carga negativa que los electrones, pero son unas 200 veces más pesados. Eso significa que orbitan 200 veces más cerca que la órbita de los electrones, dándo una más cercana y personal idea de lo grande que es el protón.
Las mediciones de los niveles de energía orbital de los muones significaban primero adivinar las diferencias entre los dos niveles de interés, por lo que un láser podría ser sintonizado en la frecuencia correcta para volcar un muón de un nivel a otro. El equipo hizo esto invirtiendo las ecuaciones de la QED y fijando el valor aceptado para el radio del protón para dar un punto de partida estimada.
En los primeros intentos de realizar el experimento completo, en el 2003 y 2007, ese enfoque no funcionó: los muones no respondieron. Fué sólo en el 2009, cuando el equipo tuvo un nuevo láser que podría llegar a frecuencias más altas, encontrando in situ a los muones y los persuadieron a saltar. La introducción de los niveles de energía determinados experimentalmente se usaron de nuevo en el cálculo QED lo cuál produjo la sorpresa. El error en el radio del protón se había reducido en un factor de 10, como se esperaba - pero el radio se había reducido también en 0.8418 femtometres, se trataba de un 4 por ciento inferior a la media anterior (veraquí).
Cuatro por ciento no puede sonar mucho, pero en la QED, donde la teoría y la experimentación están de acuerdo en una parte o dos en un mil millones, esto era una vergüenza enorme. Y no había un error evidente en la medición. "Tuvimos que tomar la discrepancia en serio", dice Michael Distler de la Universidad de Mainz, Alemania.
Sólo unas semanas más tarde, Distler y sus colegas enturbiaron la trama aún más. Publicaron una medida del radio del protón con el probado método de la dispersión de electrones que no sólo duplica su exactitud, sino que trae su valor perfectamente en línea con aquel de medir los cambios en el nivel de energía del hidrógeno ordinario (ver aquí).El experimento de muones, el cual debería haber sido el más preciso, fué extraño por fuera. Pero ¿por qué?
Una propuesta inicial fué que el protón está rodeado por un halo grande y difuso de carga positiva, es decir, el electrón en órbita distante y el muón en una órbita más cercana "ven"a los protones de diferentes tamaños . Ese modelo parece haber sido descartado, ya que hacía otras predicciones que están en desacuerdo con los mejorados experimentos de dispersión de electrones. Ahora la atención se ha desplazado a posibles fallas más fundamentales:como el que podríamos haber pasado por alto las sutilezas en el funcionamiento de la QED, o que a la QED le falta algo.
La primera posibilidad se deriva del hecho de que, de acuerdo con la QED, dos partículas cargadas orbitándo entre sí intercambiarán fotones. Cuanto más fuerte sea el vínculo entre las partículas, más energía tendrá estos fotones. Si la energía sobrepasa una marca determinada, un fotón puede subir la apuesta y brevemente convertirse en una partícula y su antipartícula - un electrón y un positrón, por ejemplo - antes de volver a ser un fotón de nuevo.
Debido a que un vínculo más fuerte es necesario para que un protón refrene al más masivo muón, hay más margen para este tipo de cosas en el hidrógeno muónico. La idea es que una espesa nube de efímeras partículas y antipartículas protegen la órbita del muón de algunos de los efectos atractivos del protón, lo que reduce el radio efectivo del protón .
Suena plausible, pero hay un problema: encontrar un par partícula-antipartícula que produzca exactamente la cantidad correcta de protección. Para ello sería necesario que la pareja tenga una masa combinada de alrededor de 46 megaelectronvolts (MeV) - mucho más que un par electrón-positrón, que pesa poco más de 1 MeV, pero muy por debajo de los más de 200 MeV necesarios para un par muón-antimuón .
Para Ulrich Jentschura, un físico de la Universidad de Missouri de Ciencia y la Tecnología en Rolla, eso hace las cosas difíciles."La teoría tiene un problema incluso inventando una partícula que podría explicar la discrepancia sin enredar algo más arriba," él dice.Él y otros han estado analizando la posibilidad de que una nueva partícula desde un "sector oculto" del modelo estándar pudiera estar escondida. Hasta ahora, sin embargo,no han encontrado nada que alteraría los resultados experimentales establecidos en el hidrógeno normal (ver aquí y aquí).
Una de las propuestas del grupo de Mainz es que el culpable es un veloz emparejamiento de un quark y un antiquark. Eso es controvertido. Los quarks y sus antipartículas sólo se sabe que se unen en el interior de partículas como el protón, donde son cargados con un montón de equipaje de gluones. La más ligera asociación conocida quark-antiquark, el pión, inclina las escalas a 140 MeV.Los investigadores piensan que los pares de quark-antiquark vinculados podrían aparecer y desaparecer tan rápidamente que no recogerían la carga completa de gluones (ver aquí). En ese caso, podrían ser más ligeros.
No todo el mundo está convencido. Krzysztof Pachucki de la Universidad de Varsovia en Polonia está de acuerdo en que la QED puede enlazar con la QCD de quarks y gluones para producir interacciones imprevistas o subestimadas- pero señala que esperaríamos ver los efectos en otros experimentos.
Eso deja la posibilidad de que hay una mancha en la QED en sí misma.Son pocos los físicos que creen que ello es probable, dada la precisión superlativa de la teoría en casi todas sus predicciones. Aun así, los teóricos han revisado las ecuaciones pertinentes por una señal de algo que falta. "Hasta ahora, nada lo suficientemente grande como para explicar una diferencia del 4 por ciento la cual parece dejarse ver", dice Paul Indelicato, un teórico del Laboratorio Kastler Brossel en París, Francia, quien formó parte del equipo de hidrógeno muónico PSI.
Mona Lisa con bigotes.
Alexander Kholmetskii de la Universidad Estatal de Belarús en Minsk y sus colegas creen que tienen algo. El problema radica, según ellos, con la ecuación - la ecuación de Dirac - que fué la primera piedra de la QED y se utiliza para describir los estados de energía de las partículas tales como electrones o muones en órbita en un átomo. Hay dos componentes de esta ecuación, una describiendo cómo las partículas envuelven energía tras la unión de ellas mismas al núcleo con fotones, y una describiendo cómo ellas pueden perder la energía mediante la radiación de fotones a distancia.
En el más bajo estado orbital de energía, los investigadores plantean, que este tipo de pérdida de radiación no es posible, por lo que aplican una pequeña corrección. Incorporándo esto en los cálculos del radio del protón deja el valor medido utilizando muones prácticamente sin cambios, mientras el movimiento del electrón resulta casi perfecto de acuerdo con ello (ver aquí ) Exactamente la misma corrección resuelve un problema similar de niveles de energía en el positronio, un "átomo" en el que un electrón y un positrón órbitan uno del otro.
Esta explicación, sin embargo, ha dejado la mayoría de los pelos de punta. La ecuación de Dirac es ampliamente festejada como una de las más bellas, ecuaciones concisas en toda la física. Hacer correcciones sobre ella es, para muchos físicos, similar a garabatear un bigote a la Mona Lisa. "No hay necesidad de recurrir a cualquier cosa que hagan para explicar las propiedades de radiación de los átomos", dice Indelicato. El hecho de que el nivel de energía más bajo no puede entregar energía ya está integrado en la QED, dice.
Todo lo que nos deja en un callejón sin salida, sin ninguna explicación para obtener la aprobación universal. "Hay documentos que pretenden explicar, pero están equivocados", dice Pachucki.
Con la teoría en un punto muerto, la atención se centra ahora en una nueva ronda de experimentos. Hemos medido el radio del protón por disparos de electrones en él, y mediante la medición de los niveles de energía de los electrones y muones en órbita. Podrían disparar muones hacia él para traer una idea nueva? Si estos misiles muón ven un protón de diferentes tamaños, entonces debe haber algo fundamentalmente diferente en la forma en que los muones interactúan, como por ejemplo la participación de nuevas partículas o parejas de partículas que no habíamos pensado. Y si no lo hacen, dice Jentschura, entonces estás realmente atascado. "Entonces la discrepancia actual parecería aún más interesante y extraña", dice.
Mientras tanto Pohl, Indelicato y sus colegas están comenzando a hacer mediciones en el deuterio muónico. Este núcleo de un átomo exótico, que consiste en un protón y un neutrón, también se puede utilizar para calcular el radio del protón. Tal vez otra década podría llevarnos a una respuesta definitiva.
Todos en una vuelta
Mientras el debate sobre el tamaño del protón ha hecho más que estallar , las entrañas de la partícula han sido un enigma para nosotros por mucho tiempo- en concreto desde 1988, cuando los investigadores en el CERN cerca de Ginebra, Suiza, descubrieron que no podían explicar el spin del protón.
El spin es una propiedad cuántica de una partícula similar a una rotación sobre su propio eje. Las partículas de diferentes spin responden a los campos magnéticos de diferentes maneras, por lo que es una cosa relativamente fácil de medir. El protón, por ejemplo, tiene un spin de ½.
Este spin debe de alguna manera proceder de la rotación de los componentes del protón, al igual que el protón es una unidad de carga positiva que viene de sumar la carga de los tres quark "de valencia" dentro de el, dos de carga +2 / 3 y uno de carga -1 / 3.
Al disparar protones separados, con muones de alta energía, el European Muon Collaboration del CERN logró medir el spin de los quarks en el interior del protón. Encontraron que podrían ser responsable de sólo una cuarta parte del spin esperado (veraquí). Experimentos posteriores han elevado esa proporción un poco, pero confirmaron el resultado básico.
Esta "crisis de spin" ha sido la fuente de grandes rascadura de cabeza desde entonces. "Pensábamos que entendíamos la estructura cuántica de un protón, pero en el fondo no lo hacemos," dice Robert Jaffe, un teórico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Lo ideal sería resolver la crisis mediante la solución de las ecuaciones de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que gobierna las interacciones dentro del protón. Sin embargo, estas resultan ser monstruosamente difíciles para una partícula con tantos elementos móviles como el protón - no sólo los quarks de valencia, sino los gluones que los unen y un "mar" de otros quarks y gluones efímeros que, de acuerdo a las normas sin consecuencias de la física cuántica brevemente aparecerán de la nada y desaparecerán otra vez. Estas complicaciones también abruman a los intentos de utilizar supercomputadoras para simular el origen de spin del protón.
Así que nos quedamos con experimentos desordenados para llenar los vacíos. Una sugerencia es que los gluones podrían llevar una proporción sustancial de spin del protón. Medida que directamente es difícil, pero experimentos en marcha en el CERN y en otros lugares indican que las contribuciones son cercanas a cero.
Entonces existe la posibilidad de que el spin del protón tenga menos que ver con los spin de los quarks y los gluones en forma individual y más que ver con la forma en que se orbitan entre sí. Hasta ahora sólo tenemos vagas ideas de cómo podemos ir sobre la medición de eso.
El resultado es un estancamiento. "Básicamente estamos esperando que algún joven inteligente pueda llegar con una idea brillante", dice Jaffe.
¿Por qué nos importa? En primer lugar, dice Jaffe, porque todos estamos compuestos de protones y neutrones y nos gustaría saber cómo funcionamos. Para los físicos, sin embargo, aún hay más en juego. Si hay tal cosa como una teoría del todo, esperamos que se parezca mucho a la QCD, sólo que sería más difícil. Si no podemos entender lo que sucede dentro del humilde protón, se desvanecerían las esperanzas de que alguna vez seríamos capaces de conseguir controlar esa la más grande teoría.
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg20928051.600-proton-puzzle-trouble-at-the-heart-of-the-atom.html
