Físicos cuánticos podrían haber resuelto el 'enigma del radio del protón'

Foto de instalación. /Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Físicos rusos y alemanes llevaron a cabo un nuevo experimento que mide el radio de un protón. El valor obtenido resultó ser algo menor que el generalmente aceptado. El estudio puede responder al problema no resuelto del enigma del radio del protón: en diferentes dimensiones el protón cambia sus dimensiones, lo que no es predicho por ninguna teoría moderna. Según los investigadores, la fuente del efecto puede ser la interferencia cuántica, que distorsionó los resultados de las mediciones anteriores. El trabajo fue publicado en la revista Science, FIAN-inform lo informa brevemente.

Comparación del radio del protón obtenido en el nuevo trabajo (rombo verde) y en anteriores trabajos (triángulo y hexágono). En morado se muestran los resultados de la espectroscopia de hidrógeno muónico. /Axel Beyer 

En este trabajo, los científicos mejoraron el experimento espectral tradicional, eliminando una serie de fuentes de error. Su esencia radica en la medición precisa de la energía de la transición electrónica en un átomo de hidrógeno entre dos niveles.

Esquema experimental. /Axel Beyer 

Típicamente, las principales fuentes de error en los experimentos con átomos excitados son los desplazamientos Doppler, el efecto Stark y la influencia de la estructura hiperfina. Los autores de la nueva investigación redujeron la temperatura de los átomos a criogénicos y redujeron las velocidades en aproximadamente un orden de magnitud. Además de esto, los científicos aprendieron a lidiar con la interferencia cuántica.

La interferencia cuántica es un fenómeno bien conocido en la óptica nuclear. Ocurre cuando hay dos transiciones de energía con energías cercanas en valor. Estas transiciones pueden afectarse entre sí, así como dos haces coherentes de luz pueden formar un patrón de interferencia entre sí. En la espectroscopía atómica, la interferencia se produce debido a la división de los niveles de energía. Anteriormente se creía que este fenómeno daba una contribución muy débil al cambio de líneas espectrales, debido a lo cual los físicos prácticamente no lo tenían en cuenta.

En el nuevo trabajo, el experimento se construyó de la siguiente manera. En la primera etapa, un paquete de átomos de hidrógeno frío cayó en la instalación. Fue excitado desde el estado fundamental a uno de los dos estados hiperfinos 2S mediante la absorción de dos fotones. Luego, se excitaron, adicionalmente, a los átomos al siguiente estado (4P) usando un láser azul. Las transiciones interferentes en la estructura hiperfina de este nivel de energía están situados muy lejos unos de otros, pero aún así dan un gran aporte a la posición del pico de transición 2S-4P. Este resultó proporcional a la discrepancia entre las frecuencias de las transiciones en el hidrógeno ordinario y el hidrógeno muónico.

Después del procesamiento cuidadoso de los resultados del experimento, que duró alrededor de un año, los físicos midieron el radio del protón, que resultó igual a 0,8335(91) femtómetros, que dentro del error coincide con los resultados para el hidrógeno muón y menor que en los experimentos tradicionales. Como señalan los autores, hablar de la solución del enigma del radio del protón es demasiado pronto. El nuevo resultado se obtuvo en una sola medida (aunque su precisión es superior a las precisiones de las otras mediciones). Es necesario averiguar la causa, por la cual los resultados anteriores resultan sistemáticamente desplazados. Además, el nuevo radio diverge no solo con experimentos espectroscópicos, sino también con datos sobre la dispersión de electrones en un protón.

Vladimir Korolev

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