stringtranslate.com

Rompecabezas del radio de protones

El enigma del radio del protón es un problema sin respuesta en física relacionado con el tamaño del protón . [1] Históricamente, el radio de carga de protones se medía mediante dos métodos independientes, que convergían a un valor de aproximadamente 0,877 femtómetros (1 fm = 10 −15 m). Este valor fue cuestionado por un experimento de 2010 que utilizó un tercer método, que produjo un radio aproximadamente un 4% más pequeño que éste, de 0,842 femtómetros. [2] Los nuevos resultados experimentales informados en el otoño de 2019 concuerdan con la medición más pequeña, al igual que un nuevo análisis de datos más antiguos publicado en 2022. Si bien algunos creen que esta diferencia se ha resuelto, [3] [4] esta opinión es todavía no es universalmente aceptado. [5] [6]

Definición de radio

El radio del protón se define mediante una fórmula que puede calcularse mediante electrodinámica cuántica y derivarse de espectroscopia atómica o de dispersión electrón-protón. La fórmula implica un factor de forma relacionado con el diámetro bidimensional del protón. [7]

Problema

Antes de 2010, el radio de carga de los protones se medía utilizando uno de dos métodos: uno basado en espectroscopia y otro basado en dispersión nuclear. [8]

Método de espectroscopia

El método de espectroscopia compara los niveles de energía de los orbitales 2s esféricamente simétricos con los orbitales 2p asimétricos del hidrógeno, una diferencia conocida como desplazamiento de Lamb . Los valores exactos de los niveles de energía son sensibles a la distribución de carga en el núcleo ya que los niveles 2s se superponen más con el núcleo. [9] Las mediciones de los niveles de energía del hidrógeno son ahora tan precisas que la exactitud del radio del protón es el factor limitante al comparar los resultados experimentales con los cálculos teóricos. Este método produce un radio de protón de aproximadamente0,8768(69)  fm , con aproximadamente un 1% de incertidumbre relativa. [2]

Dispersión electrón-protón

De manera similar a los experimentos de dispersión de Rutherford que establecieron la existencia del núcleo, los experimentos modernos de dispersión de electrones y protones envían haces de electrones de alta energía a un tubo de hidrógeno líquido de 20 cm de largo. [10] La distribución angular resultante del electrón y el protón se analiza para producir un valor para el radio de carga del protón. De acuerdo con el método de espectroscopia, esto produce un radio de protón de aproximadamente0,8775(5)  fm . [11]

experimento de 2010

En 2010, Pohl et al. publicó los resultados de un experimento que se basa en hidrógeno muónico en lugar de hidrógeno normal. Conceptualmente, esto es similar al método de espectroscopia. Sin embargo, la masa mucho mayor de un muón hace que orbite 207 veces más cerca que un electrón del núcleo de hidrógeno, donde, en consecuencia, es mucho más sensible al tamaño del protón. El radio resultante se registró como0,842(1) fm , 5 desviaciones estándar (5 σ ) más pequeñas que las mediciones anteriores. [2] El radio recién medido es un 4% más pequeño que las mediciones anteriores, que se creía que tenían una precisión del 1%. (El límite de incertidumbre de la nueva medición de sólo el 0,1% hace una contribución insignificante a la discrepancia.) [12]

Un experimento de seguimiento realizado por Pohl et al. en agosto de 2016 utilizó un átomo de deuterio para crear deuterio muónico y midió el radio del deuterón. Este experimento permitió que las mediciones fueran 2,7 veces más precisas, pero también encontró una discrepancia de 7,5 desviaciones estándar menor que el valor esperado. [13] [14]

Resoluciones propuestas

La anomalía sigue sin resolverse y es un área activa de investigación. Hasta el momento no hay ninguna razón concluyente para dudar de la validez de los datos antiguos. [8] La preocupación inmediata es que otros grupos reproduzcan la anomalía. [8]

La naturaleza incierta de la evidencia experimental no ha impedido que los teóricos intenten explicar los resultados contradictorios. Entre las explicaciones postuladas se encuentran la fuerza de los tres cuerpos , [15] interacciones entre la gravedad y la fuerza débil , o una interacción dependiente del sabor , [16] [17] gravedad de dimensión superior , [18] un nuevo bosón , [19] y el cuasi libreπ+hipótesis. [20]

Artefacto de medición

Randolf Pohl, el investigador original del rompecabezas, afirmó que si bien sería "fantástico" si el rompecabezas condujera a un descubrimiento, la explicación más probable no es una nueva física sino algún artefacto de medición. Su suposición personal es que mediciones pasadas han medido erróneamente la constante de Rydberg y que el tamaño oficial actual del protón es inexacto. [21]

Cálculo cromodinámico cuántico.

En un artículo de Belushkin et al. (2007), [22] incluyendo diferentes restricciones y cromodinámica cuántica perturbativa , se predijo un radio de protón más pequeño que los 0,877 femtómetros entonces aceptados. [22]

Extrapolación del radio de protones

Los artículos de 2016 sugirieron que el problema estaba en las extrapolaciones que normalmente se habían utilizado para extraer el radio de protones de los datos de dispersión de electrones [23] [24] [25] aunque esta explicación requeriría que también había un problema con el Lamb atómico. mediciones de desplazamiento .

Método de análisis de datos

En uno de los intentos de resolver el rompecabezas sin nueva física, Alarcón et al. (2018) [26] de Jefferson Lab han propuesto que una técnica diferente para ajustar los datos de dispersión experimental, de una manera teórica y analíticamente justificada, produce un radio de carga de protones a partir de los datos de dispersión de electrones existentes que es consistente con el hidrógeno muónico. medición. [26] Efectivamente, este enfoque atribuye la causa del rompecabezas del radio del protón a una falla en el uso de una función teóricamente motivada para la extracción del radio de carga del protón a partir de los datos experimentales. Otro artículo reciente ha señalado cómo un cambio simple, pero motivado por la teoría, en ajustes anteriores también dará como resultado un radio más pequeño. [27]

Mediciones espectroscópicas más recientes.

En 2017, se desarrolló un nuevo enfoque que utiliza hidrógeno criogénico y excitación láser sin Doppler para preparar la fuente para mediciones espectroscópicas; esto dio resultados aproximadamente un 5% más pequeños que los valores espectroscópicos previamente aceptados con errores estadísticos mucho más pequeños. [8] [28] [9] Este resultado estuvo cerca del resultado de la espectroscopía de muones de 2010. Estos autores sugieren que el análisis espectroscópico más antiguo no incluía efectos de interferencia cuántica que alteran la forma de las líneas de hidrógeno.

En 2019, otro experimento para la espectroscopía de desplazamiento de Lamb utilizó una variación de la interferometría de Ramsey que no requiere la constante de Rydberg para su análisis. Su resultado, 0,833 fm, coincidió una vez más con el valor más pequeño de 2010. [29] [9]

Mediciones más recientes de dispersión de electrones y protones.

También en 2019 W. Xiong et al. informaron un resultado similar utilizando dispersión de electrones por transferencia de momento extremadamente baja. [30]

Sus resultados respaldan el radio de carga de protones más pequeño, pero no explican por qué los resultados anteriores a 2010 resultaron más grandes. Es probable que futuros experimentos puedan explicar y resolver el enigma del radio de los protones. [31]

análisis 2022

Un nuevo análisis de datos experimentales, publicado en febrero de 2022, encontró un resultado consistente con el valor más pequeño de aproximadamente 0,84 fm. [32] [33]

Referencias

  1. ^ Krauth, JJ; Schuhmann, K.; Abdou Ahmed, M.; Amaro, FD; Amaro, P.; et al. (2 de junio de 2017). El rompecabezas del radio de protones . 52.o Encuentro de Moriond EW 2017. La Thuile, Valle de Aosta . arXiv : 1706.00696 . Código Bib : 2017arXiv170600696K.Diapositivas de presentación (19 de marzo de 2017).
  2. ^ abc Pohl R, Antognini A, Nez F, Amaro FD, Biraben F, et al. (Julio de 2010). «El tamaño del protón» (PDF) . Naturaleza . 466 (7303): 213–216. Código Bib :2010Natur.466..213P. doi : 10.1038/naturaleza09250. PMID  20613837. S2CID  4424731.
  3. ^ Martillo, Hans-Werner; Meißner, Ulf-G. (2020). "El radio de protones: del rompecabezas a la precisión". Boletín científico . 65 (4): 257–258. arXiv : 1912.03881 . Código Bib : 2020SciBu..65..257H. doi :10.1016/j.scib.2019.12.012. PMID  36659086. S2CID  208909979.
  4. ^ RL Workman y col. ( Grupo de datos de partículas ), Prog.Theor.Exp.Phys. 2022, 083C01 (2022), The Review of Particle Physics (2022), Listado de partículas – Proton, página 7: "el rompecabezas parece estar resuelto".
  5. ^ Karr, Jean-Philippe; Marchand, Dominique (2019). "Progreso en el rompecabezas del radio de protones". Naturaleza . 575 (7781): 61–62. Código Bib :2019Natur.575...61K. doi : 10.1038/d41586-019-03364-z . PMID  31695215.
  6. ^ Hill, Heather (6 de noviembre de 2019). "El rompecabezas del radio de protones puede resolverse". Física hoy . doi :10.1063/PT.6.1.20191106a. ISSN  1945-0699. S2CID  241132004.
  7. ^ Miller, Gerald A. (7 de marzo de 2019). "Definición del radio de protones: un tratamiento unificado". Revisión Física C. 99 (3): 035202. arXiv : 1812.02714 . Código Bib : 2019PhRvC..99c5202M. doi : 10.1103/PhysRevC.99.035202. ISSN  2469-9985.
  8. ^ abcd Davide Castelvecchi (5 de octubre de 2017). "El rompecabezas del tamaño de un protón se profundiza". Naturaleza . doi :10.1038/naturaleza.2017.22760.
  9. ^ abc Karr, Jean-Philippe; Marchand, Dominique; Voutier, Eric (noviembre de 2020). "El tamaño del protón". Naturaleza Reseñas Física . 2 (11): 601–614. Código Bib : 2020NatRP...2..601K. doi :10.1038/s42254-020-0229-x. ISSN  2522-5820.
  10. ^ Caminante, RC; Filippone, BW; Jourdan, J.; Milner, R.; McKeown, R.; Potterveld, D.; Andivahis, L.; Arnold, R.; Benton, D.; Bosted, P.; deChambrier, G.; Pulmón, A.; Roca, SE; Szalata, ZM; Párr, A. (1 de junio de 1994). "Medidas de los factores de forma elásticos de protones para 1 ≤ Q2 ≤ 3 (GeV / c) 2 en SLAC". Revisión física D. 49 (11): 5671–5689. doi : 10.1103/PhysRevD.49.5671. ISSN  0556-2821.
  11. ^ Enfermo yo, Trautmann D (2014). "Radios cuadráticos medios de protones y dispersión de electrones". Revisión Física C. 89 (1): 012201. arXiv : 1407.1676 . Código Bib : 2014PhRvC..89a2201S. doi : 10.1103/PhysRevC.89.012201. S2CID  118615444.
  12. ^ Carlson CE (mayo de 2015). "El rompecabezas del radio de protones". Progresos en Física de Partículas y Nuclear . 82 : 59–77. arXiv : 1502.05314 . Código Bib : 2015PrPNP..82...59C. doi :10.1016/j.ppnp.2015.01.002. S2CID  54915587.
  13. ^ Pohl R, et al. (2016). "Espectroscopia láser de deuterio muónico". Ciencia . 353 (6300): 669–673. Código Bib : 2016 Ciencia... 353..669P. doi : 10.1126/ciencia.aaf2468. hdl : 10316/80061 . PMID  27516595. S2CID  206647315.
  14. ^ "Se profundiza el rompecabezas del radio de protones". Correo del CERN . 16 de septiembre de 2016. Después de que se publicara nuestro primer estudio en 2010, temía que algún físico veterano se pusiera en contacto con nosotros y señalara nuestro gran error. Pero han pasado los años y hasta ahora no ha ocurrido nada parecido.
  15. ^ Karr, J.; Hilico, L. (2012). "Por qué la física de tres cuerpos no resuelve el rompecabezas del radio de protones". Cartas de revisión física . 109 (10): 103401. arXiv : 1205.0633 . Código bibliográfico : 2012PhRvL.109j3401K. doi :10.1103/PhysRevLett.109.103401. PMID  23005286. S2CID  12752418.
  16. ^ Onofrio, R. (2013). "Rompecabezas del radio de protones y gravedad cuántica en la escala de Fermi". EPL . 104 (2): 20002. arXiv : 1312.3469 . Código Bib : 2013EL....10420002O. doi :10.1209/0295-5075/104/20002. S2CID  119243594.
  17. ^ Zyga, Lisa (26 de noviembre de 2013). "El rompecabezas del radio de los protones puede resolverse mediante la gravedad cuántica". Phys.org . Consultado el 2 de septiembre de 2016 .
  18. ^ Dahía, F.; Lemos, AS (2016). "¿El rompecabezas del radio de protones es evidencia de dimensiones adicionales?". Revista Física Europea . 76 (8): 435. arXiv : 1509.08735 . Código Bib : 2016EPJC...76..435D. doi :10.1140/epjc/s10052-016-4266-7. S2CID  118672005.
  19. ^ Liu Y, McKeen D, Miller GA (2016). "Rompecabezas muónicos y bosones escalares electrofóbicos". Cartas de revisión física . 117 (10): 101801. arXiv : 1605.04612 . Código bibliográfico : 2016PhRvL.117j1801L. doi :10.1103/PhysRevLett.117.101801. PMID  27636468. S2CID  20961564.
  20. ^ Lestone, JP (4 de octubre de 2017). Cambio de Lamb del átomo muónico por medios simples (Informe). Informe Los Álamos. Laboratorio Nacional de Los Álamos. LA-UR-17-29148.
  21. ^ Wolchover, Natalie (11 de agosto de 2016). "Una nueva medición profundiza el rompecabezas de los protones". Revista Quanta . Consultado el 2 de septiembre de 2016 .
  22. ^ ab Belushkin, MA; Hammer, H.-W.; Meißner, Ulf-G. (2007). "Análisis de dispersión de los factores de forma de nucleones, incluido el mesón continuo". Revisión Física C. 75 (3): 035202. arXiv : hep-ph/0608337 . Código bibliográfico : 2007PhRvC..75c5202B. doi : 10.1103/PhysRevC.75.035202. ISSN  0556-2813. S2CID  42995123.
  23. ^ Higinbotham, Douglas W.; Kabir, Al-Amin; Lin, Vicente; Meekins, David; Norum, Blaine; Sawatzky, Brad (31 de mayo de 2016). "Radio de protones a partir de datos de dispersión de electrones". Revisión Física C. 93 (5): 055207. arXiv : 1510.01293 . Código Bib : 2016PhRvC..93e5207H. doi : 10.1103/PhysRevC.93.055207 .
  24. ^ Griffioen, Keith; Carlson, Carl; Maddox, Sarah (17 de junio de 2016). "Consistencia de los datos de dispersión de electrones con un radio de protones pequeño". Revisión Física C. 93 (6): 065207. arXiv : 1509.06676 . Código Bib : 2016PhRvC..93f5207G. doi : 10.1103/PhysRevC.93.065207 .
  25. ^ Horbatsch, Marko; Hessels, Eric A.; Pineda, Antonio (13 de marzo de 2017). "Radio de protones de la teoría de la perturbación quiral y la dispersión electrón-protón". Revisión Física C. 95 (3): 035203. arXiv : 1610.09760 . Código Bib : 2017PhRvC..95c5203H. doi : 10.1103/PhysRevC.95.035203. S2CID  119232774.
  26. ^ ab Alarcón, JM; Higinbotham, DW; Weiss, C.; Ye, Zhihong (5 de abril de 2019). "Extracción del radio de carga de protones a partir de datos de dispersión de electrones utilizando la teoría de campo efectivo quiral mejorada dispersivamente". Revisión Física C. 99 (4): 044303. arXiv : 1809.06373 . Código Bib : 2019PhRvC..99d4303A. doi : 10.1103/PhysRevC.99.044303 .
  27. ^ Barcus, Scott K.; Higinbotham, Douglas W.; McClellan, Randall E. (10 de julio de 2020). "Cómo las opciones analíticas pueden afectar la extracción de factores de forma electromagnéticos a partir de datos de sección transversal de dispersión de electrones elásticos". Revisión Física C. 102 (1): 015205. arXiv : 1902.08185 . Código Bib : 2020PhRvC.102a5205B. doi : 10.1103/PhysRevC.102.015205. S2CID  146808413.
  28. ^ Beyer, Axel; Maisenbacher, Lothar; Matveev, Arturo; Pohl, Randolf; Khabarova, Ksenia; Grinin, Alexey; Lamour, Tobías; Yost, Dylan C.; Hänsch, Theodor W.; Kolachevsky, Nikolai; Udem, Thomas (2017). "La constante de Rydberg y el tamaño de los protones del hidrógeno atómico". Ciencia . 358 (6359): 79–85. Código Bib : 2017 Ciencia... 358... 79B. doi : 10.1126/ciencia.aah6677 . PMID  28983046. S2CID  206652697.
  29. ^ Bezginov, N.; Valdez, T.; Horbatsch, M.; Marsman, A.; Vutha, AC; Hessels, EA (5 de septiembre de 2019). "Una medida del desplazamiento Lamb del hidrógeno atómico y el radio de carga de protones". Ciencia . 365 (6457): 1007–1012. Código Bib : 2019 Ciencia... 365.1007B. doi : 10.1126/science.aau7807 . PMID  31488684. S2CID  201845158.
  30. ^ Xiong, W.; Gasparian, A.; Gao, H.; Dutta, D.; Khandaker, M.; et al. (2019). "Un pequeño radio de carga de protones de un experimento de dispersión electrón-protón". Naturaleza . 575 (7781): 147-150. Código Bib :2019Natur.575..147X. doi :10.1038/s41586-019-1721-2. ISSN  0028-0836. OSTI  1575200. PMID  31695211. S2CID  207831686.
  31. ^ Karr, Jean-Philippe; Marchand, Dominique (2019). "Progreso en el rompecabezas del radio de protones". Naturaleza . 575 (7781): 61–62. Código Bib :2019Natur.575...61K. doi : 10.1038/d41586-019-03364-z . ISSN  0028-0836. PMID  31695215.
  32. ^ Lin, Yong-Hui; Martillo, Hans-Werner; Meißner, Ulf-G. (2022-02-03). "Nuevos conocimientos sobre la estructura electromagnética del nucleón". Cartas de revisión física . 128 (5): 052002. arXiv : 2109.12961 . Código Bib : 2022PhRvL.128e2002L. doi : 10.1103/PhysRevLett.128.052002. ISSN  0031-9007. PMID  35179940. S2CID  237940595.
  33. ^ "Los protones son probablemente en realidad más pequeños de lo que se pensaba". Universidad de Bonn . Consultado el 15 de febrero de 2022 .