«Estas pruebas son importantes»: una medición de protones pondría una de las teorías universales de la física en la que siempre hemos creído

En las últimas décadas, la física de partículas ha estado en el punto de mira. Mientras que las ecuaciones teóricas sobre el funcionamiento del universo parecían convencer a todos, las mediciones físicas básicas de los bloques que lo componen no terminaban de encajar. Siempre se ha dudado del tamaño real del protón, lo que ha frenado a los científicos en su tarea de poner a prueba sus teorías con la precisión extrema que requieren nuestros días.

Pero esa limitación ha llegado a su fin. Un nuevo estudio, publicado en la prestigiosa revista científica Nature , ha logrado fijar el radio del protón con una exactitud sin precedentes.

Este hallazgo, por un lado, resuelve un debate que había dividido a la comunidad científica y permite someter al M****odelo Estándar de la física de partículas a su examen más riguroso hasta la fecha. Los resultados son tan precisos que el margen de error es prácticamente inexistente, ya que la teoría coincide con el experimento con una precisión superior a una décima de una milmillonésima parte de un porcentaje, es decir, del 0,0000000001 %.

Cambio importante

Para entender la magnitud de este logro, hay que irse al problema de fondo, lo que se conoce como el «rompecabezas del radio del protón». Históricamente, las mediciones sugerían un tamaño específico para esta partícula subatómica. Sin embargo, los experimentos más recientes, realizados con hidrógeno muónico (una variante exótica donde el electrón es reemplazado por un muón, similar pero más pesado), revelaron que el protón parecía ser un 4 % más pequeño de lo que se creía.

Ese porcentaje, aunque pueda parecer pequeño, es un abismo en el mundo de la física cuántica. Esa diferencia impedía validar las predicciones del Modelo Estándar. Si no sabemos cuánto mide la pieza básica, no podemos calcular cómo interactúa con el resto del rompecabezas.

El físico Lothar Maisenbacher y sus colegas del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania), autores del estudio citado en Nature , han puesto fin a la discusión. Utilizando átomos de hidrógeno convencionales, han determinado que el radio del protón es de aproximadamente 0,84 billonésimas de milímetro.

Figura 2: Análisis de los espectros de frecuencia que revelan los niveles de energía del hidrógeno, clave para determinar el tamaño del protón. Imagen de stock

Este dato es crucial porque descarta definitivamente las mediciones antiguas que consideraban que tenía un radio mayor. Además, al alinear el tamaño del protón normal con el del protón observado en el hidrógeno muónico, se valida la consistencia de las leyes físicas. Ya no hay dos protones distintos según cómo se miren, sino que hay uno solo, es pequeño, y encaja perfectamente en las ecuaciones.

Saltos de energía y luz

La metodología empleada por el equipo de Maisenbacher es una obra maestra de la metrología cuántica. Los investigadores no midieron el protón como se había hecho hasta ahora, sino que estudiaron el comportamiento de los átomos de hidrógeno mediante espectroscopia láser de alta precisión.

El experimento consistió en medir la frecuencia exacta de la radiación necesaria para hacer que el átomo saltara entre dos niveles de energía diferentes. Según la mecánica cuántica, estos niveles de energía dependen intrínsecamente del tamaño del protón en el núcleo. Al combinar esta frecuencia con otras mediciones previas, el radio se reveló por sí solo.

Esta confirmación ha permitido a los investigadores utilizar los datos para testar la electrodinámica cuántica o QED , la joya de la corona del Modelo Estándar. La QED describe cómo interactúan la luz y la materia cargada. Gracias a que ahora sabemos que el protón es pequeño, los científicos pudieron usar las mediciones ultraprecisas del hidrógeno muónico sin fallo. Como resultado, se vio que milagrosamente coincidía la teoría escrita en papel y la realidad observada en el laboratorio.

Duda sobre el Método Estándar

La validación de la QED con este grado de exactitud es un triunfo rotundo para la física teórica establecida. Significa que entendemos, con un nivel de detalle asombroso, cómo se comportan las partículas subatómicas y sus interacciones electromagnéticas. Sin embargo, en la ciencia, cada respuesta abre nuevas preguntas.

El propio Maisenbacher, al presentar los resultados, mantiene una perspectiva cautelosa pero ambiciosa. Aunque el Modelo Estándar ha superado esta prueba de fuego, los físicos saben que no es la teoría definitiva. «Estas pruebas son importantes porque sabemos que nuestra comprensión del mundo no es completa», afirma el investigador.

Y es que, por muy perfecto que parezca el Modelo Estándar al predecir el comportamiento de un átomo de hidrógeno, sigue teniendo agujeros negros, por lo que esa teoría estaría en duda ahora más que nunca. De hecho, es incapaz de explicar fenómenos macroscópicos fundamentales como la gravedad, ni da cuenta de la materia oscura.

Preguntas clave sobre la nueva medición del protón

¿Qué era el rompecabezas del radio del protón?

Era una discrepancia científica donde diferentes métodos de medición arrojaban tamaños distintos para el protón. 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.

¿Cuál es la nueva medida exacta del radio del protón?

De 0,84 femtómetros, es decir, 0,84 billonésimas de milímetro.

¿Por qué es tan importante esta confirmación para la física?

Porque se conoce la medida exacta del protón.