Los protones son probablemente más pequeños de lo que se pensaba

Un estudio sugiere errores en la interpretación de mediciones antiguas

08.02.2022 - Alemania

Hace unos años, una novedosa técnica de medición demostró que los protones son probablemente más pequeños de lo que se suponía desde la década de 1990. Esto sorprendió a la comunidad científica; algunos investigadores llegaron a creer que habría que cambiar el Modelo Estándar de la física de partículas. Los físicos de la Universidad de Bonn y de la Universidad Técnica de Darmstadt han desarrollado ahora un método que permite analizar los resultados de los experimentos más antiguos y más recientes de forma mucho más exhaustiva que antes. El resultado también es un radio de protón más pequeño a partir de los datos más antiguos. Así que probablemente no haya diferencia entre los valores, independientemente del método de medición en el que se basen.

Nuestra silla de oficina, el aire que respiramos, las estrellas en el cielo nocturno: todos están hechos de átomos, que a su vez están compuestos de electrones, protones y neutrones. Los electrones están cargados negativamente; según los conocimientos actuales, no tienen expansión, sino que son puntuales. Los protones cargados positivamente son diferentes: según las mediciones actuales, su radio es de 0,84 femtómetros (un femtómetro es la cuatrillonésima parte de un metro).

Sin embargo, hasta hace unos años se pensaba que eran de 0,88 femtómetros, una diferencia minúscula que causó un gran revuelo entre los expertos. Porque no era tan fácil de explicar. Algunos expertos llegaron a considerar que era un indicio de que el Modelo Estándar de la física de partículas estaba equivocado y debía ser modificado. "Sin embargo, nuestros análisis indican que esta diferencia entre los valores medidos antiguos y los nuevos no existe en absoluto", explica el Prof. Dr. Ulf Meißner, del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn. "En cambio, los valores más antiguos estaban sujetos a un error sistemático que se ha subestimado significativamente hasta ahora".

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Para determinar el radio de un protón, se puede bombardear con un haz de electrones en un acelerador. Cuando un electrón choca con el protón, ambos cambian su dirección de movimiento, de forma similar a la colisión de dos bolas de billar. En física, este proceso se denomina dispersión elástica. Cuanto más grande es el protón, más frecuentemente se producen estas colisiones. Por tanto, su expansión puede calcularse a partir del tipo y el alcance de la dispersión.

Cuanto mayor sea la velocidad del haz de electrones, más precisas serán las mediciones. Sin embargo, esto también aumenta el riesgo de que el electrón y el protón formen nuevas partículas al colisionar. "A altas velocidades o energías, esto ocurre cada vez con más frecuencia", explica Meißner, que también es miembro de las áreas de investigación transdisciplinar "Matemáticas, modelización y simulación de sistemas complejos" y "Bloques de construcción de la materia e interacciones fundamentales". "A su vez, los eventos de dispersión elástica son cada vez más raros. Por lo tanto, para las mediciones del tamaño del protón, hasta ahora sólo se han utilizado los datos del acelerador en los que los electrones tenían una energía relativamente baja".

En principio, sin embargo, las colisiones que producen otras partículas también proporcionan información importante sobre la forma del protón. Lo mismo ocurre con otro fenómeno que se produce a altas velocidades de los haces de electrones: la llamada aniquilación electrón-positrón. "Hemos desarrollado una base teórica con la que estos eventos también pueden utilizarse para calcular el radio del protón", afirma el Prof. Dr. Hans-Werner Hammer de la Universidad Técnica de Darmstadt. "Esto nos permite tener en cuenta datos que hasta ahora se habían dejado de lado".

Un cinco por ciento más pequeño de lo que se suponía hace 20 años

Con este método, los físicos volvieron a analizar las lecturas de experimentos más antiguos y también de los más recientes, incluidos los que anteriormente sugerían un valor de 0,88 femtómetros. Con su método, sin embargo, los investigadores llegaron a 0,84 femtómetros; este es el radio que también se encontró en nuevas mediciones basadas en una metodología completamente diferente.

Así que el protón parece ser en realidad un 5 por ciento más pequeño de lo que se suponía en los años 90 y 2000. Al mismo tiempo, el método de los investigadores también permite conocer la estructura fina de los protones y sus hermanos sin carga, los neutrones. Así que nos está ayudando a entender un poco mejor la estructura del mundo que nos rodea: la silla, el aire, pero también las estrellas del cielo nocturno.

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