Contacto: Dr. Randolf Pohl
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Max-Planck-Gesellschaft
El protón - más pequeño que el pensamiento
IMAGEN: En una cámara de medición de protones: el rayo de muones mueve a través de los electrodos en forma de anillo de la izquierda. En el espacio entre las dos barras grises metálicos bajo el panel de vidrio ...
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Los grandes problemas a veces vienen en paquetes pequeños. El problema con el que los físicos ahora deben preocuparse mide sólo 0,0350 millonésima parte de una millonésima parte de un milímetro. Esta es precisamente la diferencia entre el nuevo y más pequeño, dimensión del protón, el núcleo del átomo de hidrógeno, y el valor que se ha asumido hasta el momento. En lugar de 0,8768 femtometres mide sólo 0,8418 femtometres. En el Instituto Paul Scherrer de Suiza, un equipo internacional de investigadores, entre ellos los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ha medido esto en experimentos que son diez veces más preciso que todas las anteriores. De este modo, la física actual con algunos problemas difíciles: al menos una constante fundamental cambia ahora. Y los físicos tienen también para comprobar los cálculos de la electrodinámica cuántica. Esta teoría se supone que es muy bien probado, pero sus predicciones no están de acuerdo con estas últimas mediciones. (Naturaleza, 8 de julio de 2010)
Durante muchos años, Randolf Pohl y sus colegas creían que su instrumento de medida no era lo suficientemente preciso: que primero realizaron un experimento para determinar el tamaño del protón en el año 2003, pero no habían descubierto la señal que les proporcionaría la visión relevante. "Esto no se había reducido a la exactitud de nuestro método, sino al hecho de que no esperábamos una gran desviación tal", dice Randolf Pohl. Por tanto, los investigadores habían elegido demasiado pequeño de una ventana para sus mediciones. "Es bueno, sin embargo, que hemos mejorado significativamente nuestro método una vez más, de lo contrario la gente no nos podríamos creer ahora", continúa Pohl.
Randolf Pohl y sus colegas en una colaboración internacional han medido el radio de carga del protón con una precisión de una milésima de un femtometre. Este es el radio de la cual asume la carga del núcleo de hidrógeno positivo. Con este fin, se han investigado los pequeños detalles de la estructura atómica, utilizando hidrógeno muónico, donde no es un electrón, pero un muón más pesado que orbita el núcleo (ver "Antecedentes: una regla para un protón). Sus mediciones muestran que el núcleo de hidrógeno mide 0,8418 femtometre. Un resultado que está fuera del margen de error que los físicos habían aplicado a las mediciones anteriores para el radio de protones por un factor de cinco.
Incluso si la desviación es insignificante en una escala del día a día, que posiblemente tenga consecuencias significativas. Los investigadores no pueden decir con precisión lo que éstos pueden ser, sin embargo. Lo que es seguro es que esto cambia la constante de Rydberg. Los físicos cuánticos utilizan esta constante para el cálculo de la que los paquetes de energía los átomos y las moléculas absorben y emiten cuando cambian sus estados. Estos paquetes de energía corresponden a las líneas espectrales de los elementos. Los cálculos de las líneas espectrales ahora paso notablemente y ya no coinciden con los resultados experimentales.
Los teóricos buscan ahora el error en el cálculo
"Dado que la constante de Rydberg es la constante más exactamente determinado fundamental hasta el momento, es tan sólido como una roca", dice Randolf Pohl. Si los físicos que hagan un dibujo de auto-consistente de todas las constantes fundamentales, las otras constantes fundamentales como la constante de Planck o la masa del electrón sólo puede moverse alrededor de la constante de Rydberg. El hecho de que esta piedra se ha movido un poco difícilmente va a impresionar a las otras constantes fundamentales: se han determinado tal como exactamente como la constante de Rydberg, así que probablemente no van a sentir el tirón en absoluto. La prueba de esto es todavía pendiente, sin embargo.
"También tenemos que tener mucho cuidado con consecuencias de mayor alcance", dice Pohl. Muchos teóricos de todo el mundo están ahora volviendo a calcular las predicciones de la electrodinámica cuántica con la nueva radio del protón. Esta teoría cuántica describe cómo los átomos, electrones, las partículas elementales y otros jugadores se mueven en este mundo diminuto y que los campos electromagnéticos se crean en el proceso. También proporciona un valor para el radio de protones para la comparación con los datos experimentales - pero esto es significativamente mayor que el medido ahora. "Supongo que un error se ha hecho en alguna parte en el cálculo, porque la teoría de la electrodinámica cuántica es muy consistente y ha sido rigurosamente probado", dice Pohl. Si este no es el caso, el desplazado ligeramente radio del protón provocaría un terremoto en la física, lo que al menos dar lugar a considerables 'fallas' en esta teoría.
Mientras los teóricos están ahora tratando de llegar al fondo del misterio de la radio del protón errónea en sus modelos, los investigadores y sus colegas Garching están comprobando el nuevo resultado de la medición con más experimentos en el átomo de hidrógeno. También quieren rediseñar su montaje experimental para que ellos también pueden medir el radio de carga del núcleo de helio. Estas investigaciones también se pretende que decirles algo acerca de cómo se deforman los núcleos atómicos cuando interactúan con una carga negativa. De esta manera, los físicos quieren descubrir la estructura exacta de la materia paso a paso - y la esperanza, por supuesto, encontrarse con más misterios de la física.
Antecedentes: Una regla para un protón
Con el fin de medir el radio de carga del protón, los investigadores utilizan las interacciones electrónicas en un átomo de hidrógeno y tienen en cuenta los más mínimos detalles de la estructura atómica: el núcleo de carga positiva atrae a los electrones, que puede moverse en diferentes capas alrededor del núcleo . La energía de los electrones aumenta cuando se salta a la siguiente capa más alta. En la primera cáscara sólo puede moverse en un orbital: las s-orbital, que rodea el núcleo atómico como una esfera. Cuando las subidas de electrones cáscara hacia arriba por la cáscara, el espacio adicional disponible para cada vez. En la segunda cáscara, por ejemplo, que puede ocupar no solo la esféricas s-orbital, sino también un orbital p que forma una estructura con forma de mancuerna alrededor del núcleo atómico.
En el modelo más simple de un átomo del electrón tiene la misma energía en el orbital s-como lo hace en el orbital p. En realidad, sin embargo, su energía en el orbital p es ligeramente mayor que en el s-orbital. Los físicos llaman a la brecha de energía pequeño desplazamiento de Lamb. Los físicos Garching se dirigen este pequeño espacio. Una razón de su existencia es que el protón no es un punto infinitamente pequeño, pero una pequeña esfera. Si el electrón ocupa el orbital p, el electrón no se siente esto, porque ambos extremos en forma de maza de la mancuerna se encuentran fuera del núcleo atómico - por lo tanto, el electrón es nunca dentro del propio núcleo. La situación es muy diferente en el ámbito de la s-orbital: aquí el electrón también pasa en repetidas ocasiones el tiempo en el propio núcleo - los cargos de núcleo y electrones entonces se anulan entre sí. Esto disminuye la fuerza de atracción promedio del núcleo y por lo tanto la energía del electrón.
En el átomo de hidrógeno convencional el efecto es tan pequeño que apenas es perceptible incluso en las mediciones más precisas. En el Instituto Paul Scherrer en la ciudad suiza de Villingen los físicos de Garching, por tanto, se han producido hidrógeno muónico en el que un muon sustituye al electrón. El muón tiene la misma carga negativa como un electrón, pero es de alrededor de 200 veces más pesado. El diámetro total del átomo por lo tanto se contrae y, en promedio, el muón pasa más tiempo en el núcleo de manera que la energía de la s-orbital en cuestión también experimenta un cambio fuerte. Los investigadores miden la diferencia de energía por el electrón dando un pequeño empujón enérgico con un láser, de modo que salta de la s-orbital de la segunda cáscara en el orbital p.
Ese es el principio. Con el fin de medir la diferencia de energía, que aún es muy pequeña incluso en hidrógeno muónico, los físicos que trabajan con Randolf Pohl tienen que resolver algunos problemas prácticos. Ellos no sólo necesitan un láser cuya longitud de onda se puede ajustar con una precisión extrema. Poco a poco se cambia su energía hasta que se adapta exactamente a la transición entre los dos orbitales. El láser también debe liberar su pulso en menos de una millonésima de segundo después de que haya recibido la orden. Este se coloca tan pronto como los detectores del aparato de registro de un átomo de hidrógeno muónico.
En 99 por ciento de los casos, el muón en el átomo de hidrógeno se desliza inmediatamente en la s-orbital de la primera cáscara energéticamente favorable. Por tanto, el láser dispara principalmente en partículas que son inútiles para el verdadero propósito de los investigadores. El aparato registra un átomo en el que el muón permanece en las s-orbital de la segunda cáscara de sólo seis a siete veces por hora. "Usted puede sentarse durante horas delante de la pantalla y casi nada sucede", dice Randolf Pohl. Y a continuación, sólo se necesita una millonésima parte de un segundo hasta que el muón se cae de la segunda a la primera capa, energéticamente más favorable. Los investigadores Garching han utilizado una variedad de trucos para enseñar su láser un tiempo de reacción de 900 mil millonésimas de segundo, con lo que la medición es posible en el primer lugar.
Después de que los investigadores habían pasado varios meses la creación y el perfeccionamiento de sus aparatos en el Instituto Paul Scherrer, finalmente se midieron durante tres semanas sin un descanso. Sólo entonces se habían trasladado los muones de los s-orbital en el orbital p del segundo shell tan a menudo que un pico notable era visible en su espectro. Entonces sólo cálculos se mantuvo. "La ecuación de esto es bastante difícil", dice Pohl, pero, finalmente, llegaron a su valor para el radio del protón que es diez veces más preciso y que ahora establece una serie de nuevas tareas para los teóricos cuánticos.
Enlaces relacionados:
El material de vídeo en la medición del radio de protones
http://www.psi.ch/media/filme-protonenradius # English_Version
Trabajo original:
Randolf Pohl, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro, François Biraben, Jo?o Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Luis MP Fernandes, Adolf Giesen, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, José AM Lopes, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, Livia Ludhova, Cristina MB Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel, Paul Rabinowitz, Joaquim MF dos Santos, Lukas A. Schaller, Karsten Schuhmann, Catherine Schwob, David Taqqu, Jo?o Veloso FCA & Franz Kottmann
El tamaño del protón
Naturaleza, 8 de julio de 2010; DOI: 10.1038/nature09250
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