La medida más precisa del tamaño de un protón gracias el espectro del hidrógeno muónico

Dibujo20130124 root-mean-square proton charge radius in femtometers

En el átomo de hidrógeno muónico, el electrón que orbita el protón es sustituido por un muón. Como el muón tiene una masa 207 veces mayor que el electrón, su órbita tiene un radio de Bohr 207 veces menor, por lo que sus niveles de energía se ven afectados por el tamaño del protón. Un análisis matemático permite deducir el radio del protón con un error un orden de magnitud menor que el valor oficial CODATA (2010). Se han determinado tres radios asociados al protón: el radio de Zemach es rZ = 1,082(37) fm (femtometros), el radio magnético es rM= 0,87(6) fm, y el radio de carga es rE = 0,84087(39) fm (el valor CODATA (2010) se refiere al radio de carga).  Para sorpresa de los investigadores, el radio obtenido es un 4% más pequeño del valor obtenido con las estimaciones teóricas y los experimentos previos con átomos de hidrógeno, es decir, con electrones. Más aún, el nuevo valor difiere a 7 sigmas de significación estadística del valor oficial CODATA (2010).  ¿Por qué? Nadie lo sabe, pero el nuevo resultado confirma un resultado polémico publicado en Nature en 2010. La Naturaleza a veces ofrece sorpresas en los lugares más inesperados. Nos lo cuenta Helen S. Margolis, “How Big Is the Proton?,” Science 339: 405-406, 25 Jan 2013, que se hace del artículo técnico de Aldo Antognini et al., “Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen,” Science 339: 417-420, 25 Jan 2013. El artículo en Nature es Randolf Pohl et al., “The size of the proton,” Nature 466: 213-216, 08 Jul 2010 (más info en “La medida más precisa del radio de un protón en un hidrógeno muónico arroja un valor un 5% más pequeño de lo obtenido con hidrógeno electrónico,” 8 Jul 2010).

Dibujo20130124 Experimental apparatus - Accelerator-created negative pions are transported to the cyclotron trap

Los autores del nuevo artículo han utilizado el efecto Lamb en el hidrógeno muónico, es decir, transición 2S-2P en el hidrógeno muónico. Para evitar tener que usar un modelo teórico del efecto Lamb (transición hiperfina 2S), como hicieron los autores del artículo en Nature de 2010, en el nuevo trabajo se han medidos dos frecuencias de transición (singlete y triplete). Además, se ha mejorado el procedimiento de análisis de los resultados. ¿Podría haber un error sistemático en la medida cometido tanto por los autores de los artículos de Nature y Science? Si lo hay, aún no ha sido identificado con claridad (aunque hay algunas hipótesis al respecto). Aún así, lo que está claro es que hay que mejorar los modelos teóricos que permiten estimar el radio del protón. El efecto Lamb fue clave para el desarrollo de la QED (electrodinámica cuántica). Quizás la estimación del radio del protón nos ayude a entender mejor la relación entre la QCD y la QED en un objeto tan complicado como el hidrógeno muónico (complicado porque el protón tiene una estructura según la QCD muy complicada).

Dibujo20130124 lamb shift - muonic hydrogen resonances for singlets

PS (25 ene 2013): Geoff Brumfiel, “Shrunken proton baffles scientists. Researchers perplexed by conflicting measurements,” Nature News, 24 Jan 2013.