¿Qué tan grande puede ser un protón?

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atomosUn protón es una partícula subatómica que tiene una carga positiva elemental que equivale a 1,6 × 10-19 C, es decir que es igual en valor absoluto a las carga de un electrón (la carga de un electrón es -1,6 × 10-19 C). Su masa es 1836 veces mayor que la de un electrón y un poco menor que la de un neutrón.

Los protones se encuentran presentes en el núcleo de todos los átomos y junto a los neutrones son denominados los «nucleones». El número de protones presentes en el núcleo define la propiedad del elemento y se lo conoce como el número atómico (que se representa por el símbolo Z). Cada elemento es único en su número atómico y además tiene un único número atómico.

Se conocen varias características físicas de los protones, pero su tamaño sigue siendo un gran misterio.

Un gran misterio

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Durante muchos años se consideró que el radio de un protón era alrededor de 0,877 femtómetro, es decir menos de una milbillónesima (1.000.000.000.000.000) parte de un metro. Pero en el 2010, Randolf Pohl, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, utilizó una nueva técnica para medirlo que resultó en una medida totalmente diferente.

El equipo de Pohl alteró la composición del átomo de hidrógeno (que tiene 1 protón y 1 electrón) cambiando el electrón por una partícula más pesada conocida como muón, generando así un átomo de hidrógeno muónico. El muón tiene una masa que es 207 veces mayor que la del electrón y su órbita es 207 veces menor, por lo tanto sus niveles de energía se ven afectados por el tamaño del protón. Entonces, los investigadores midieron el cambio de energía en los niveles del muón con un láser y eso les permitió aproximarse al tamaño del protón. Este tamaño resultó ser un 4 % más pequeño que el tamaño estipulado en un principio.

En su experimento, Pohl también aplicó esta técnica en el deuterio, que es un isotopo del hidrógeno que contiene un protón y un neutrón, mientras que el hidrógeno solo contiene un protón, en el núcleo. Con la técnica, el tamaño del deuterio también resultó ser 0,8 % más chico del inicialmente estipulado.

En un futuro…

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Estos resultados demuestran que claramente se necesitan nuevas técnicas para conocer con mayor precisión el radio de los protones así como el de los átomos.

Pohl sospecha que el problema en la medida es que la constante de Rydberg es imprecisa. Esta constante describe el número de longitudes de onda emitidas por un átomo excitado.

Encontrar la medida del protón supone entonces ir más allá del modelo estándar de las partículas físicas y esto será sin duda un gran descubrimiento para la física.