El deuterón, uno de los núcleos atómicos más simples, que consta de un solo protón y un neutrón, es considerablemente más pequeño de lo que se pensaba anteriormente. Un grupo de investigación internacional que realizó experimentos en el Instituto Paul Scherrer llegó a este hallazgo,PSI. El nuevo resultado es consistente con un estudio realizado en 2010 por el mismo grupo, en el que los investigadores midieron el protón y encontraron un valor significativamente menor que la investigación previa utilizando diferentes métodos experimentales. El resultado de 2010 formó la base de lo que se ha sabido desdeentonces como "el rompecabezas del radio de protones". La nueva medición del tamaño del deuterón ahora ha dado lugar a un misterio análogo. Es posible que esto conduzca a un ajuste de la constante de Rydberg, una cantidad fundamental en física. Otra explicación posible esque una fuerza física aún desconocida está funcionando. Para sus experimentos, los investigadores utilizaron la espectroscopía láser para medir el llamado deuterio muónico: un inconveniente de un átomo artificialisting de un deuterón orbitado por una partícula elemental exótica conocida como muón.Los experimentos tuvieron lugar en PSI porque la fuente de muón más poderosa del mundo, disponible aquí, era necesaria para producir suficiente deuterio muónico.Los investigadores han publicado su nuevo estudio del tamaño del deuterón en la revista ciencia .
El deuterón es más pequeño que las mediciones anteriores. Un deuterón es un núcleo atómico muy simple formado por un solo protón y un neutrón, es decir, uno de cada uno de los dos bloques de construcción nuclear. Una colaboración de investigación internacional, trabajando enEl PSI del Instituto Paul Scherrer ha medido el deuterón con mayor precisión que nunca. El valor que obtuvieron para el radio del deuterón no corresponde, sin embargo, a las mediciones de otros grupos de investigación, sino que muestra un valor significativamente menor.
A pesar de esta contradicción, también existe un acuerdo: en 2010, el mismo grupo de investigación informó sobre la medición de protones individuales mediante el mismo método. Luego, también, la medición mostró claramente que el protón es más pequeño de lo que había sidose pensó hasta la fecha. Desde entonces, la comunidad de investigación se ha referido a esta situación como "el rompecabezas del radio de protones". Un análisis posterior de los datos de protones del PSI confirmó el mismo pequeño valor en 2013.
Así que ahora también es el deuterón. "Nadie en la comunidad cree más que nuestro método, la espectroscopía láser, podría ser defectuoso", afirma el físico de PSI Aldo Antognini. Y su compañero de investigación Randolf Pohl, quien ahora trabaja en elLa Universidad de Mainz, agrega: "Después de que nuestro primer estudio salió en 2010, temía que algún físico veterano se pusiera en contacto con nosotros y nos señalara nuestro gran error. Pero los años han pasado, y hasta ahora no ha pasado nada por el estilo"Y ahora el nuevo estudio, la medición del deuterón, también confirma el misterio del radio del protón." Se podría decir que el misterio ahora se ha confirmado por sí mismo doblemente ", concluye Pohl.
Junto con científicos de PSI, colaboradores de ETH Zurich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica Alemania, así como investigadores en París, Coimbra Portugal, Stuttgart Alemania, Friburgo Suiza y Hsinchu Taiwán también tuvo una participación significativa en el estudio.
Nuevo experimento crea emoción
El nuevo resultado de la investigación es en realidad más que una duplicación del viejo misterio del radio de protones: más allá de eso, puede avanzar en la búsqueda de la verdadera naturaleza de las cosas. "Naturalmente, ya no puede ser que el deuterón -que el protón, tiene dos tamaños diferentes ", dice Antognini. Por lo tanto, la comunidad científica está buscando explicaciones que puedan volver a armonizar los diferentes valores.
Una posible explicación es que una fuerza física aún desconocida está funcionando. Para los científicos, ese es un escenario emocionante; sin embargo, es altamente improbable.
Una explicación más obvia sería la imprecisión experimental. "En realidad, el misterio podría resolverse muy fácilmente si asumimos un problema experimental mínimo con la espectroscopía de hidrógeno", explica Antognini. Algunas de las mediciones anteriores, tanto del tamaño del protón como delEl tamaño del deuterón se basó en este método.
Otro método para determinar los tamaños del protón y el deuterón utiliza la dispersión electrónica. El tamaño del deuterón que se midió mediante la dispersión electrónica es de hecho compatible con el nuevo valor obtenido por el grupo de investigación PSI, pero existe una incertidumbre comparativamente grande sobre suPrecisión general.
Para resolver el enigma del radio de protones, varios grupos de investigación que usan espectroscopía de hidrógeno o dispersión de electrones comenzaron, hace algunos años, a actualizar sus experimentos y mejorar su precisión. Antognini y Pohl están orgullosos de eso: "Si nuestro valor hubiera estado de acuerdocon los anteriores, no habría habido este maldito misterio del radio de protones; pero tampoco habría habido este aumento mundial de actividad que haya llevado a varias configuraciones de medición altamente precisas ", dice Pohl. Actualmente grupos de investigación en Munich,París y Toronto están trabajando para obtener mediciones más precisas a través de la espectroscopía de hidrógeno. Se esperan resultados en los próximos años.
Es posible que sea necesario ajustar las constantes físicas
"Si realmente resultara que la espectroscopía de hidrógeno está dando un valor falso, es decir, desplazado mínimamente, eso significaría que la constante de Rydberg debe cambiarse mínimamente", explica Antognini. La constante de Rydberg y el protónel radio son dos cantidades físicas que están fuertemente acopladas entre sí. Hasta la fecha, entre todas las constantes físicas, la constante de Rydberg es la que se ha determinado con la mayor precisión: incluso su undécimo lugar decimal ya se conoce. Aún así, gracias a lamisterio del radio de protones, este último lugar decimal aún podría cambiar un poco. Eso tendría consecuencias para muchas áreas de la física y conduciría a correcciones mínimas para otras constantes de la naturaleza.
Tomó la fuente de muones más poderosa del mundo
Para determinar el tamaño del deuterón en PSI, los investigadores primero produjeron átomos artificiales: deuterio muónico. Estos átomos tienen un núcleo de un deuterón, que está en órbita por un muón.
La fuente de muón de PSI es el sistema de más alto rendimiento de su tipo en el mundo. Gracias a esto, fue posible inyectar alrededor de 300 muones por segundo en la cámara del experimento. Allí golpearon átomos de deuterio gaseoso, arrojaron suslos electrones y tomaron su lugar. El resultado fueron átomos de deuterio muónico.
Los muones son partículas elementales cargadas negativamente que se parecen mucho a los electrones pero son alrededor de 200 veces más pesadas. Debido a su mayor masa, los muones se mueven mucho más cerca del núcleo atómico, y las propiedades de sus órbitas dependen mucho más del tamaño de estenúcleo.
Los investigadores explotaron esto: con un sistema de láser pulsado altamente complejo desarrollado específicamente para este experimento, excitaron el muón en el átomo artificial. La longitud de onda del láser se puede variar en pasos. Exactamente a la longitud de onda correcta, el muón se elevóde un estado energético a otro; desde allí inmediatamente volvió a caer a un estado inferior, enviando un fotón de rayos X en el proceso. Esas longitudes de onda de luz láser en las que se generó el número máximo de fotones de rayos X marcaron el estado energéticode las respectivas órbitas de muones alrededor del núcleo. Este estado energético depende en gran medida del radio del deuterón: por lo tanto, mediante su curva de medición, los investigadores pudieron determinar el tamaño del deuterón. Esto es bastante similar a la forma en quemidió el tamaño del protón en su estudio de 2010.
Antecedentes: átomos y muones
Cada objeto, cada ser vivo, cada planeta y cada estrella del universo está formado por átomos. En el centro de cada átomo está su núcleo, que consiste en protones y neutrones que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte.distancias relativamente grandes desde el núcleo, los electrones considerablemente más pequeños orbitan a su alrededor.
El átomo más simple es el de hidrógeno: consta de un solo protón, que solo y sin ningún neutrón forma el núcleo, y un electrón. Con un neutrón adicional en el núcleo, el átomo se convierte en deuterio; su núcleo, así formadode un neutrón y un protón, se llama deuterón. Un poco más sustancial aún es el átomo de helio, que consta de dos protones, uno o dos neutrones y dos electrones que orbitan alrededor de este núcleo. Al agregar mentalmente cada vez más partículas nucleares y electrones ena su vez, puede encontrar todos los elementos de la tabla periódica.
Los muones también son partículas elementales, pero no son parte de los átomos habituales. Los muones tienen una vida muy corta: se descomponen en otras partículas solo unas pocas millonésimas de segundo después de su existencia. Por lo tanto, los experimentos con muones deben realizarse convelocidad correspondiente. En la fuente de muones más potente del mundo, en PSI, hay varias estaciones de medición en las que se pueden llevar a cabo tales experimentos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer PSI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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