Resuelven el enigma del protón: calculan su tamaño exacto tras más de una década de debate

Investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania) han llevado a cabo una de las pruebas más precisas del Modelo Estándar de la física de partículas hasta la fecha. Mediante espectroscopia de hidrógeno de alta resolución, proporcionaron un valor preciso para el radio del protón, resolviendo así el enigma del radio del protón, objeto de un largo debate en los últimos años. Los resultados se publicaron recientemente en la revista Nature.

«El reto principal consistía en lograr una precisión superior a doce cifras significativas a pesar del gran ancho de línea natural de la transición. Es como medir la distancia al espacio con una regla métrica del tamaño de un virus de la gripe», explica Lothar Maisenbacher, autor principal del estudio.

En concreto, los investigadores determinaron que el radio de esta partícula es de aproximadamente 0,84 billonésimas de milímetro o femtómetros –0,00000000000000084 metros–. Este dato es clave, ya que durante más de una década el debate del tamaño del protón ha sido uno de los problemas más persistentes en la física fundamental. Los experimentos más recientes sugerían que era un 4 % más pequeño de lo que se creía históricamente, lo que impedía validar con precisión el Modelo Estándar de la física.

Ahora, con esta nueva medida exacta del radio del protón, coincidiría con las mediciones realizadas en el llamado hidrógeno muónico, es decir, hidrógeno en el que el electrón se sustituye por un muón. Las comparaciones anteriores entre el hidrógeno ordinario (electrónico) y el muónico habían revelado discrepancias, dando lugar al enigma del radio del protón. Ahora, esta nueva medición descarta esta discrepancia por primera vez con un nivel de significación estadística superior a cinco desviaciones estándar.

«Con esta medición, por fin podemos dejar atrás el enigma del radio del protón y centrarnos en poner a prueba la electrodinámica cuántica (QED) y el Modelo Estándar. Las teorías también han superado esta exigente prueba, pero sabemos que no lo explican todo. Resulta especialmente emocionante que ahora, por primera vez, estemos observando correcciones muy pequeñas y sumamente interesantes derivadas de las interacciones con partículas más complejas, conocidas como hadrones», afirma Lothar Maisenbacher.

Por su parte, el director Theodor Hänsch también subraya la importancia del trabajo: «La espectroscopia de precisión del átomo de hidrógeno ha sido una aventura apasionante durante más de cincuenta años, inspirando inventos como el enfriamiento láser de gases atómicos y la tecnología de peines de frecuencia óptica».