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Radio de Carga CODATA del Protón; La Historia de Esta Medida Fundamental

Por Inés Urdaneta, física e investigadora de Resonance Science Foundation

En septiembre de 2019, hace casi dos años, el radio de carga del protón fue finalmente confirmado experimentalmente por un estudio de Eric Hessels, de la Universidad de York en Canadá, y sus colegas. 

Nassim Haramein había anticipado este valor en su trabajo del 2012, cuyo artículo fue publicado en 2013 bajo el titulo Quantum gravity and the holographic mass (La gravedad cuántica y la masa holográfica), donde Haramein propone un modelo holográfico generalizado que permite calcular el valor ahora confirmado del radio de carga del protón, que luego fue ajustado por CODATA (Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología) a ese mismo valor en 2018. Todo esto forma parte del llamado Rompecabezas del Protón, que abordaremos en este artículo. 

Dado que el núcleo de un átomo de hidrógeno está formado por un solo protón y este átomo tiene un solo electrón, el hidrógeno es una plataforma muy adecuada para determinar propiedades intrínsecas del protón, como el radio de carga del protón, que es la extensión espacial de la distribución de la carga del protón. El radio de carga del protón rp establecido y encontrado por técnicas experimentales realizadas antes de 2010 (como la dispersión elástica electrón-protón y la espectroscopia de hidrógeno) produjo el valor medio de rp = 0,8768±0.0069×10−13 cm. Otra forma de expresar este valor es: rp = 0,8768 femtómetros (1 fm es 10--13cm, o 13 ceros después del punto decimal) con una incertidumbre de 0,0069×10−13 cm. Este era el valor recomendado por CODATA para el radio de carga del protón hasta 2018, cuando se actualizó a un valor acorde con el predicho por el modelo holográfico generalizado. 

Imagen: de la presentación de Dipangkar Dutta. Universidad Estatal de Mississippi

Como se explica en este artículo de Nature, según la mecánica cuántica, hay una pequeña probabilidad de que el electrón se encuentre dentro de la región del protón (recordemos que los protones y los electrones no son bolas sólidas). Al penetrar al protón, el electrón está menos influenciado por la carga eléctrica del protón de lo que estaría en caso contrario. Este efecto debilita ligeramente la unión del electrón con el protón y provoca un pequeño desplazamiento de la energía del estado del electrón con respecto a otros estados electrónicos. La gran precisión alcanzada tanto por los experimentos como por la teoría de la electrodinámica cuántica permite extraer el radio del protón a partir de las mediciones de este desplazamiento de energía.

En 2010, Randolf Pohl, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching (Alemania), y sus colegas midieron un valor muy preciso del radio del protón utilizando la espectroscopia del hidrógeno muónico; una forma de hidrógeno en la que el electrón se sustituye por una versión más pesada de la partícula, llamada muón, cuya masa mucho mayor hace que orbite 207 veces más cerca del núcleo del hidrógeno que el electrón, lo que aumenta la probabilidad de que el muón esté dentro del protón y lo hace mucho más sensible al tamaño del protón. Dado que el desplazamiento de energía asociado es unos 8 millones de veces mayor para el hidrógeno muónico que para el hidrógeno normal, y dado que los muones y los electrones tienen la misma carga eléctrica, cabría esperar un aumento de la precisión del valor ya conocido para el radio del protón. La comunidad se confundió al obtener un radio un 4% menor que el aceptado anteriormente, lo que supone una enorme diferencia a esa escala.

El desacuerdo se conoció como el rompecabezas del radio del protón y abrió la posibilidad de que los protones interactuaran de forma diferente con los muones y los electrones, una anomalía que contradiría el modelo estándar de la física de partículas y requeriría una nueva física para explicar por qué y en qué condiciones el protón podría comportarse de forma diferente.

Figura 1 (tomada del artículo de Nature) : Valores del radio del protón expresados en femtómetros (1 fm = 10exp(-13) cm). Los puntos de datos son valores del radio del protón obtenidos durante la última década, incluidos los últimos resultados, de Bezginov (del grupo Hessels) et al. 4 y Xiong et al., con las incertidumbres indicadas por las barras de error. Los datos se obtuvieron utilizando tres técnicas de medición diferentes: dispersión electrón-protón, espectroscopia del hidrógeno ordinario y espectroscopia de un tipo exótico de hidrógeno llamado hidrógeno muónico. Las barras de error de los dos puntos de datos asociados a la espectroscopia del hidrógeno muónico son demasiado pequeñas para ser representadas en esta figura. Las bandas denotan los valores adoptados por el Comité de Datos para la Ciencia y la Tecnología (CODATA) en 2014 (0,8751(61)×10exp(-13) cm) y en 2018 (véase go.nature.com/2bwkrqz).

Tres años después, el 25 de enero de 2013, la revista Science publicó los resultados de Aldo Antognini et al. sobre las mediciones del radio de carga del protón. El equipo fue capaz de obtener mediciones con una precisión 1,7 veces mayor que el resultado del hidrógeno muónico de 2010 de Pohl et al., al tiempo que confirmaba los hallazgos anteriores. El equipo de Antognini reportó un valor de 0.84087(39) fm ( = 0.84087(39)×10−13 cm) para el radio de carga del protón.

En esta época de 2013, Haramein publicaba su artículo "Quantum gravity and the holographic mass". Los últimos resultados de Antognini para el radio de carga del protón acababan de ser publicados, arrojando serias dudas sobre el valor teórico predicho por el modelo estándar. Utilizando el valor de Antognini, la predicción del modelo holográfico generalizado para el radio del protón es rp = 0.841263(28)×10−13 cm,  lo que está dentro de una desviación estándar (escrita como 1 σ y siendo 0.00037×10−13cm) de ese resultado experimental. El valor predicho cae dentro de la precisión del experimento.

Luego, un estudio de septiembre de 2019 realizado por Eric Hessels, de la Universidad de York (Canadá), y sus colegas confirmaron con mediciones de espectroscopia que el radio del protón del hidrógeno muónico y el electrónico son iguales. Realizaron una medición análoga a la de Pohl y sus coautores, pero para el hidrógeno electrónico esta vez, lo que requirió estrategias experimentales para alcanzar una precisión de partes por millón. Los autores desarrollaron un método experimental basado en una técnica utilizada en los relojes atómicos y que tiene muchas ventajas técnicas sobre otros enfoques, como la eliminación de las incertidumbres sistemáticas, el filtrado del ruido ambiental y la simplicidad de la forma de la señal espectral. Esto permitió a Hessels et al. realizar un estudio meticuloso de las incertidumbres sistemáticas y extraer un valor preciso para el radio del protón, obteniendo rp = 0,833 ± 0,010 femtómetros (1 fm es 10--13 cm), consistente con el valor del equipo de Pohl. 

Mientras tanto, las mediciones de dispersión de electrones seguían arrojando sistemáticamente un valor mayor para el radio del protón. Por ello, Ashot Gasparian, de la Universidad Estatal de Carolina del Norte A&T, y sus colegas de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, en Virginia, llevaron a cabo un nuevo experimento -el Experimento del Radio del Protón (PRad)-en el que los electrones se dispersaron a partir de los protones del gas hidrógeno. La mayor precisión les permitió medir rp  = 0,831 ± 0,007 fm, lo que corrobora el valor hallado por los dos experimentos anteriores con hidrógeno muónico. Además, su hallazgo concuerda con el valor revisado (anunciado en 2019) para la constante de Rydberg, una de las constantes fundamentales de la física medidas con mayor precisión.

Todos estos diferentes experimentos con hidrógeno electrónico han arrojado sistemáticamente un valor menor para el radio del protón, lo que posiblemente resuelve el misterio a nivel experimental. Para el modelo estándar, sin embargo, esto no es una buena noticia.

En 2018, la comisión CODATA actualizó el radio del protón al que todavía se recomienda, que es rp = 0,8414 x 10-13 cm, con una incertidumbre estándar de 0,00019 x 10-13 cm. Este ajuste se produjo antes de las últimas mediciones de hidrógeno electrónico de septiembre de 2019 (rp de Hessel = 0,833 x 10-13 cm), que validan totalmente la actualización de 2018.

Como dice aquí, "la mejor medición es la que utiliza el hidrógeno muónico rp = 0,84087 fm (ANTOGNINI 2013), que es mucho más precisa." ¡Que además es la que más se acerca a la predicción de Haramein!

Redefinición de las unidades del SI

Cabe destacar que el valor más preciso de la constante de Planck se anunció en 2019. La medición de la constante de Planck, con una precisión adecuada de diez partes por mil millones, requirió décadas de trabajo de equipos internacionales de todos los continentes, lo que permitió fijar esta constante en exactamente 6,626070150 × 10−34 kg⋅ m2/s.

Nuestro artículo de RSF de noviembre de 2018 titulado De la constante de Planck al kilogramo es un texto complementario para este artículo, ya que ofrece una descripción detallada de la historia de esta redefinición.

Dado que la masa está vinculada a la energía a través de la ecuación de Einstein E = mc2, y la energía está cuantificada a través de la ecuación de Planck E = hf (siendo f la frecuencia), la equiparación de ambas energías permite expresar la masa en términos de la velocidad de la luz c, la frecuencia f y la constante de Planck h, como m = h f /c2. Esto permite a los científicos definir la masa en términos de la constante de Planck h, que es una característica inmutable del universo, en lugar de utilizar como referencia o unidad de masa un cilindro de platino-iridio de 130 años de antigüedad que pesa 2,2 libras (1 kilogramo) y que se encuentra en una habitación de Francia.

Sello conmemorativo del centenario http://www.jgiesen.de/briefmarken/institutionen1.html

Las unidades de medida MKS (metro para la distancia, kilogramo para la masa y segundos para el tiempo) se describen ahora completamente en términos de propiedades del vacío y del régimen cuántico, que son agentes fundamentales. Las unidades de masa, tiempo y distancia ¡se han unificado en torno a la constante de Planck!

Al tener todas las unidades definidas en relación con la constante de Planck, el único problema que queda es la limitación que supone la constante gravitatoria G de la que dependen todas las unidades de Planck. G es la constante con menor precisión, con 10-5 dígitos, mientras que otras constantes tienen precisiones de al menos 10-9. Por tanto, la precisión de G es un factor limitante.  Ahora que la constante de Planck se ha fijado en un valor más exacto y que las unidades de masa ahora dependen de ella, el aumento de la exactitud de G sólo depende de que se consiga la solución a la gravedad cuántica, y ahí es donde el modelo holográfico generalizado alcanza su clímax. Ya tenemos la solución completa a la gravedad cuántica expresada en términos de nuestra relación superficie-volumen 𝝓, ¡y es hermosa! 

En nuestro próximo artículo, titulado Scale invariant Unification of Forces, Fields, and Particles in a Quantum Vacuum Plasma (Invarianza bajo escalas en la unificación de fuerzas, campos y partículas en el plasma del vacío cuántico) demostraremos la unificación de todas las unidades, constantes y fuerzas, y aumentaremos la precisión de las unidades de Planck calculando la constante gravitacional G ¡hasta 10-12 dígitos de precisión!

 

RSF en perspectiva

Después de todo lo anterior, el rompecabezas de los protones estaba resuelto, al menos a nivel experimental. La discrepancia con el anterior valor mayor de rp de 2010 y anteriores se debió probablemente a errores de medición. Sin embargo, la mayoría de los medios de comunicación afirmaron que este radio más pequeño no requería una nueva física porque daba el mismo resultado tanto en los hidrógenos electrónicos como en los muónicos. Esta afirmación es engañosa. La predicción teórica del modelo estándar en ese momento estaba desviada en un 4%, por lo que evidentemente se requerían modificaciones importantes en el modelo estándar. Además, no olvidemos que el modelo estándar utiliza al menos 17 parámetros de ajuste, mientras que el modelo holográfico generalizado es un cálculo de primer principio. Afortunadamente, ¡la confirmación del radio de carga del protón valida el Modelo Holográfico Generalizado!

El hecho de que las unidades Planck ya no sean sólo el resultado de una convención humana las convierte en verdaderas constantes universales. Por tanto, cualquier otra civilización avanzada encontraría los mismos valores para ellas. Redefinir las unidades del SI para que deriven de la fijación de la constante de Plank, significa que ahora dependen de valores fundamentales de la naturaleza en lugar de la convención humana. Junto con el hecho de que la Unidad Esférica de Planck (PSU) es necesaria para lograr la Gravedad Cuántica, todo esto implica que la PSU no sólo está relacionada con una unidad de medida... ES una unidad fundamental del Universo. Esto se debe a que la PSU es un voxel real o unidad de volumen del espacio, directamente relacionado con el quantum de acción o momento angular h. 

El curso de ciencia propuesto por Resonance Academy, particularmente en el Módulo 7, aborda en detalle todos estos aspectos fundamentales del modelo holográfico generalizado. El lector puede realizar este curso de forma gratuita, registrándose en este enlace: Curso de Ciencia Unificada.

Lea más aquí: https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20191106a/full/

https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1007.full

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