Radio protón


No, no vamos a hablar de música electrónica, ni de una nueva emisora de radio.  En esta entrada hablaremos del radio del protón que en los últimos tiempos nos ha deparado una sorpresa.

El protón es una partícula esencial para entender la estructura de la materia que nos rodea y de la que nos conforma a nosotros mismos. Los núcleos están hechos de protones, neutrones y, estos, forman parte de los átomos cuando se ven revestidos de electrones.  Dado que es una partícula fundamental para nuestro entendimiento de la materia, los físicos se han empeñado en medir su “tamaño”, su radio.

El protón no es puntual

Como hemos discutido ya en el blog, el protón y el neutrón están compuestos por quarks y tienen una estructura muy complicada. Las entradas al respecto son:

No solo del Higgs vive la masa

Rómpelo y dime qué hay dentro

En estas aportaciones al blog se ve que el protón tiene estructura interna y por lo tanto es pertinente preguntarse acerca de su radio.

Evidentemente, la cuestión no es trivial, en mecánica cuántica las cosas no tienen una forma delimitada y bien definida, se puede pensar que son borrosas. Así que antes de hablar sobre el radio del protón uno tiene que definir qué entiende por tal cosa.  En este contexto, por radio del protón entendemos el radio que tendría una esfera que contiene una carga eléctrica igual a la del protón.

Este radio, en el que se distribuye la densidad de carga del protón, no se puede medir directamente. Sin embargo, existen observables en los átomos que dependen de su valor. Como sabemos, en los átomos, y en concreto en el átomo de Hidrógeno, los electrones se disponen orbitales en diferentes capas de energía dependiendo de sus números cuánticos.

En un primer momento, a un electrón en el Hidrógeno no le supone ninguna diferencia desde el punto de vista energético estar en el orbital 2S o 2P, tal y como se ve en la gráfica anterior.

Sin embargo, debido a correcciones relativistas, este no es el caso y estos niveles se diferencian en subniveles con ligeras diferencias de energía, lo que se conoce como el efecto Lamb.

Estas mínimas diferencias de energía dependen del radio del protón (tal y como lo hemos definido) y si somos capaces de medirlas nos brindarán la oportunidad de conocer esta característica del protón.  Estos experimentos se realizan con mucho éxito y nos proporcionan unos valores muy buenos del radio del protón. El valor aceptado hasta la fecha era de:

0.8775(51) fm

Y aquí viene la sorpresa…

Hidrógeno con muones

El muón es una partícula de la familia de los leptones, es decir, no siente la interacción fuerte y tiene la misma carga que el electrón. Lo que diferencia a un electrón de un muón (entre otras cosas en las que no entraremos) es que este último tiene una masa aproximadamente 200 veces mayor.

Los científicos se propusieron usar muones en vez de electrones para formar unos átomos de Hidrógeno exóticos en los que los muones estaban pululando por sus orbitales.  El único efecto de cambiar electrones por muones en esta situación es que los niveles de energía cambian acercándose al núcleo y que los efectos relativistas, como el efecto Lamb, son más intensos y se pueden medir mejor.

La intención era únicamente mejorar la medida del radio del protón y dar dos o tres cifras decimales con mayor seguridad. Pero, ocurrió lo inesperado, el valor que obtuvieron fue de:

0.84087(39) fm

Es decir, los nuevos resultados daban un radio un 4% menor que el reconocido en la literatura. Este resultado aceptado por la física venía respaldado por muchos experimentos y por muchos cálculos teóricos.

Por supuesto este es un pequeño cambio en un número, pero este pequeño cambio sacude los cimientos de muchas cosas que creíamos entender y de otras que creíamos estar empezando a entender.

El problema del radio del protón

La solución a este problema puede venir en distintas formas:

1.-  Que el experimento con muones está mal.

Esta no parece ser la solución. Después de varios años comprobando, haciendo experimentos alternativos y volviendo a revisarlo todo estamos casi seguros de que el experimento no tiene fallos significativos que puedan explicar el cambio del valor del radio del protón.

2.-  El cálculo del radio del protón que viene de la electrodinámica cuántica no es correcto.

Podemos decir que el cálculo no contiene errores de bulto, pero no podemos asegurar que no haya algún ingrediente que no se nos haya escapado hasta la fecha.

3.-  Las interacciones del protón con el electrón y el muón son diferentes.

Esto significaría que habríamos encontrado física que no está explicada por el Modelo Estándar. No hay razones fundamentales, ni otras evidencias que indiquen que esta sea la razón para el cambio del radio del protón.

4.-  Que estemos viendo física más allá del modelo estándar como la existencia de dimensiones extra.

Entre la plétora de explicaciones teórica a este problema se han propuesto que en el hidrógeno hay rastros de física correspondiente a dimensiones extra de forma que al cambiar electrones por muones estas se ponen de manifiesto.  Es una posibilidad, sin embargo, no hay otras pruebas que soporten esta afirmación.

5.-  Que no entendamos bien la estructura del protón.

El protón es un objeto terriblemente complicado. Su estructura es muy rica y muy complicada. La teoría que lo describiría adecuadamente, la cromodinámica cuántica, se vuelve prácticamente irresoluble a las energías en las que los protones existen.  Esta es la opción que me parece más acertada. Por ejemplo, Alvaro de Rújula, ha propuesto una nueva forma de distribución de la carga del protón.

La cuestión es que en cuanto menos te lo esperas salta la liebre y te hace reconsiderar todo lo que creías saber.  La naturaleza, sin esfuerzo alguno, nos enseña que nos queda mucho por aprender todavía y que hay mucha física por desenterrar en este universo.

Para los interesados en los aspectos técnicos:

Muonic hydrogen and the proton radius puzzle

Nos seguimos leyendo…

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23 Respuestas a “Radio protón

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  15. Para cuentos cuánticos:
    No has contestado a la cuestión de Anónimo. !Qué miedo tienen algunos en dar su nombre¡
    La física cuántica nos mete el cuento cuántico de que Incluso en el vacío más perfecto, ya sea el que se cree en un laboratorio, el espacio intergaláctico, o el vacío interatómico, son creados continuamente bosones de gauge con una existencia extremadamente breve. La mecánica cuántica predice que la energía del vacío nunca puede llegar a ser cero. La energía menor posible del vacío se llama energía del punto cero, y es precisamente esta poca (aunque no nula) energía de las partículas virtuales. Éste modelo del vacío se llama vacío mecánico cuántico, o más corto, vacío cuántico.
    Los fotones que transmiten la

    interacción no son fotones reales. Son lo que se llaman partículas virtuales y, hablando pedestremente, sacan su energía del vacío gracias al principio de indeterminación de Heisenberg. Estas partículas muestran su presencia únicamente a través de la interacción y su energía se devuelve al vacío cuántico.

    En la física cuántica actual se especula con que el intercambio y la absorción de la energía de un fotón o de un bosón, virtual o imaginario, emitido por cada partícula cargada, ejerce las fuerzas de interacción, atracción o repulsión, sin explicar con claridad cómo una partícula cargada puede emitir un fotón o un bosón, “sacándolo” del vacío cuántico, incluso en reposo, y quedarse vacía de energía, ni cómo se realiza una absorción de energía, ni cómo es posible que una absorción de energía pueda producir fuerza. Por ello, establece que, espontáneamente, las partículas generan partículas mediadoras, fotones o bosones, con “carga de color”, la cual es una prodigiosa facultad de ser portadora de fuerza, que es una propiedad teórica, misteriosa, caprichosa e inaceptable mediante la cual se pretende producir la fuerza de interacción.
    Alrededor de un electrón puede haber una sola carga eléctrica, ¿cómo sabe el electrón la dirección en la que tiene que emitir el fotón? Alrededor de un electrón puede haber muchísimas partículas, electrones o protones con los que tiene que interaccionar, por lo que un electrón, por ejemplo, debería emitir siempre casi infinitos fotones a la vez, pues no sabe ni cuántos son ni donde están las otras cargas. La energía del electrón debería ser casi infinita.

  16. Efectivamente, son tantos los problemas sin resolver por la física actual que es necesario una física nueva.
    Durante 30 años he desarrollado una nueva física, la “Teoría Cuántica de la Energía Oscura” (28 págs.), que te puedo enviar por e-mail: magolea@telefonica.net, en donde comprobarás que obtengo mediante cálculo teórico el radio de carga del protón, 0.840593 fm muy coincidente con el valor de 0.84087(39) fm que presentas obtenido en los laboratorios. Es un resumen de los fundamentos del libro “La materia, energía oscura” (361 págs.)
    La mayoría de los artículos publicados en 2013 presentan el valor más seguro de 0.840 fm.
    Lo calculo en base a que la fuerza fuerte (entre protones) ha de ser 100 veces superior a la electrostática, y a que deduzco que se produce una inversión de las fuerzas electromagnéticas a la distancia de la longitud de onda de Compton de la partícula, en este caso, del protón. Fundamentalmente porque deduzco que las partículas giran a gran velocidad mientras palpitan : ½ vuelta por latido, y la carga eléctrica es energía polarizada que se sitúa distribuida en la superficie periférica de la esfera de la partícula.
    Te pido un favor, ¿Puedes decirme que significa el número 39 entre paréntesis: (39) en el valor 0.84087(39) fm del radio del protón?
    No conozco tu nombre, pero el texto del documento me dice que sabes suficiente de física
    Un saludo de Mariano Gómez de Olea

    • Buenas tardes,

      El nmero 39 dentro del parntesis significa el error cometido dentro de las dos ltimas cifras significativas de la medida. En este caso eso es:

      0.84087+/- 0.00039 fm

      Un saludo,

      Enrique

  17. Lo que vemos hasta ahora experimentalmente, fisicamente (lo que hay); es que una masa 200 veses superior del muon con respect al electron, da un “radio” efectivo (de efecto, interactive,…) 4% menor para el proton enlasado o ligado.
    Es decir, la gravedad cambia o comienza a cambiar y no conocemos su influencia energetica, a escala de los fentometros (10^-15m). O dicho de otra forma, tambien podria ser, que cuando los lectones (1) y los protons(1) se hacercan a una distancia menor que el radio de Bohr no sea tan evidente la separacion interactiva electromagnetica y gravitatoria; y se tendria que introducer teminos de microgravedad no clasica. Es que siendo criticos, no tenemos una buena teoria macrogravitatoria (recuerden la atipica velocidad de las galacias o material oscura,…), y mucho menos microgravitatoria.
    Y para aclarar: Lo que trae al traste las famosas dimenciones extras (inexistentes en este mundo real, hasta ahora un costructo metafisco-matematico, a mi parser con un future moderado), y que no son, sino la forma que sale de la matematica con que contamos hasta ahora, la forma mas simple y entendible, para abordar gravedad (podrian apareser otras, si avanzamos en lo experimental) a esas escalas energeticas y otras mas altas. Que es en definitive lo que con el costante hablar y calcular llama mas la atension del populacho cientifico: DIMENCIONES EXTRAS,… !no deja de ser tentador! Pero bueno, hasta los indios le ponian nombre a sus hijos por lo que mas se les parecia en la naturaleza, rayo, avez, peces,… asi que aqui, aunque el nombre puede estar bien puesto, no creo que lo que realmente me esta diciendo la matematica de las dimensiones extras, es que presisamente estas existan en la naturaleza. Y aqui nos podria pasar como con las interpretaciones de la Mecanica Cuantica, no podemos demostrar quien lleva la razon y las dos ideas no interfieren en los resultados, si haces lo correcto fisicamente.
    Otra opinion (mia), es que las escalas naturales de todas las teorias de dimensiones extras, estan hacia las escalas del micromundo y no hacia las de macromundo; de ahi la confucion actual, ya debenida en una interesante y fecunda crisis fisica. Me explico: Toda la fisica de dimensiones extras, de altas energia (llamemosle vacio cosmologico a nuestro mundo actual, o energia base de la que se parte hasta llegar al origen del universe que es casi lo mismo) aplicado a que existio un “Big Bang” de escala y energias Plank, que despues comiensa a expandirse, es decir a disminuir su energia, etc, etc,… lo que mas o menos todos tenemos ideas, o hemos escuchado,…
    No se describe de forma natural con las dimensiones extras, sino que esa matematica es natural, es la descriccion de las s escalas internas, repito, ESCALAS INTERNA de la microparticulas conocidas,… que es donde de forma natural y probada (lo del Big Bang no esta claro aun, al menos para mi) se dan esas energias.
    Bueno ya saben que en mi propuesta para un nuevo paradigma fisico, yo consivo una estructura eferico o eferoide-toroidar(relaciones geometricas abstractas no publicadas aun) para el electron, dada por la circulacion del “foton” que se confina para formarlo,… y que ademas, es capas de rescatar toda la fisica probada experimentalmente hasta la actualidad,… Bueno esa es mi idea general sobre las dimensiones extras, repito la idea general, y donde deberiamos estar casando dimensiones extras, con energias del micromundo, del interior de las particulas mal llamadas matematicamente puntuales. Al menos teoricamente. Que no es lo mismo que interacion particular-particular que si se intenta en los aceleradores. Ademas creo que se abanzaria mas, si las dimensiones extras, son despojandas de todo el ruido cosmologico con que se les acompana, que se les adiciona, para facilitar el valor publicable del costructo teorico. Cosa que creo, sera tarea de futuros fisicos, una vez aplicad esa matematica a su habitad natural…
    El interior de las particulas y sus energias estabilizadas por la interacion Luz-Luz fuerte, en una estructura geometrica bien definida volumetricamente y no puntual, sin necesidad de renormalizacion causada por la puntoalidad y la division por cero al disminuir las distancias, o radios inversos que salen comunmente en nuestras leyes y teorias,… no abuso mas. (sorry no corrector)

  18. Pingback: Partículas | Annotary

  19. Este tema me viene al pelo para hacer un par de preguntas.
    Cuando las partículas interaccionan, a nivel de campos cada partícula genera un campo que en el caso de los campos eléctrico y gravitatorio tienen un alcance infinito perdiendo intensidad con el cuadrado del radio. A nivel de partículas las responsables de estas dos interacciones son, respectivamente, fotón y gravitón (si existe). ¿Se supone que por ejemplo un protón emite infinitos fotones con infinito alcance para transimitir a todos los puntos del espacio esa información? ¿Hace esto sin perder una pizca de energía-masa? Una cosa es que partículas mensajeras como el fotón no tengan masa pero tienen energía y eso de ser emitidas por otras partículas sin perder energía no tiene muy buena pinta.
    Por otro lado, la idea que dejo entreveer con estas preguntas de que las partículas que generan campos e interaccionan con otras partículas o, si particularizamos al caso de esta entrada, la idea de que el protón pierda más energia/masa en la interacción con el muón por ser una interacción de mayor intensidad tampoco tiene mucho sentido porque en ese caso llegaría un momento en el que podríamos hacer que todo el protón se convirtiese en radiación de partículas mensajeras si lo ponemos a interaccionar con una partícula muy cargada/pesada.
    A ver si puedes ayudarme un poco a entender esto, si es que hay explicación.
    Y aprovecho para otra pregunta. Si la interacción fuerte descubierta por Yukawa describe la interacción mediada por piones entre protones y neutrones, por qué le damos el mismo nombre a la interacción entre quarks mediada por gluones?
    Un saludo.

    • Hola, permíteme que te conteste por partes

      ¿Se supone que por ejemplo un protón emite infinitos fotones con infinito alcance para transimitir a todos los puntos del espacio esa información? ¿Hace esto sin perder una pizca de energía-masa? Una cosa es que partículas mensajeras como el fotón no tengan masa pero tienen energía y eso de ser emitidas por otras partículas sin perder energía no tiene muy buena pinta.

      Los fotones que transmiten la interacción no son fotones reales. Son lo que se llaman partículas virtuales y, hablando pedestremente, sacan su energía del vacío gracias al principio de indeterminación de Heisenberg. Estas partículas muestran su presencia únicamente a través de la interacción y su energía se devuelve al vacío cuántico.

      Explicaciones al respecto en el blog:

      https://cuentos-cuanticos.com/2013/06/17/efecto-schwinger/
      https://cuentos-cuanticos.com/2011/09/20/desmontando-particulas-virtuales-1/
      https://cuentos-cuanticos.com/2011/11/27/vacio-depende-de-a-quien-le-preguntes/

      Esta es la visión pictórica que nos hemos hecho a partir de la forma en la que calculamos los procesos cuánticos. No podemos decir que sea la visión definitiva, es la que nos vale por ahora. Pero no hay ningún problema con la conservación de la energía y el protón, como tú propones, no se evaporará en una explosión de fotones.

      Si la interacción fuerte descubierta por Yukawa describe la interacción mediada por piones entre protones y neutrones, por qué le damos el mismo nombre a la interacción entre quarks mediada por gluones?

      Porque la forma del potencial efectivo de la interacción entre quarks y gluones es la misma, matemáticamente hablando, que la de protones y piones. Todos los potenciales de esa forma se designan genericamente, potenciales de Yukawa.

      Espero haberte aclarado el tema.

  20. Pingback: El problema del radio del protón

  21. Muy buen articulo y fascinante el tema. Cada vez que surgen “anomalias” como esta, me hacen sospechar que nueva fisica mas alla del modelo estandar esta a la vuelta de la esquina esperando ser descubierta. Sin embargo, las dimensiones extra parecen tremendamente escurridizas y se estan haciendo de rogar 😉 Por cierto en que quedo aquello de los neutrones espejo?

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