Los físicos teóricos presentan un cálculo significativamente mejorado del radio del protón.

07 Octubre 2023 3203
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6 de octubre de 2023

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por Renée Dillinger-Reiter, Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia

Un grupo de físicos teóricos de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) ha logrado mejorar significativamente sus cálculos sobre el radio de carga eléctrica del protón publicado en 2021. Por primera vez, obtuvieron un resultado lo suficientemente preciso sin utilizar datos experimentales.

Con respecto al tamaño del protón, estos nuevos cálculos también favorecen el valor más pequeño. Al mismo tiempo, los físicos han publicado por primera vez una predicción estable de teoría para el radio de carga magnética del protón. Todos los nuevos descubrimientos se pueden encontrar en tres documentos preliminares publicados en el servidor arXiv.

Todos los núcleos atómicos conocidos consisten en protones y neutrones, sin embargo, muchos de los rasgos de estos ubicuos nucleones aún no se comprenden. Específicamente, a pesar de varios años de esfuerzo, los científicos no han podido determinar el radio del protón. En 2010, el resultado de una nueva técnica de medición de radio de protones que involucra espectroscopía láser de hidrógeno muónico causó revuelo. En este tipo 'especial' de hidrógeno, el electrón en la capa del átomo fue reemplazado por su pariente más pesado, el muón, que es una sonda mucho más sensible para el tamaño del protón.

Los experimentadores obtuvieron un valor significativamente más pequeño que el encontrado después de las mediciones correspondientes de hidrógeno 'normal' y el método tradicional de determinar el radio del protón utilizando la dispersión electrón-protón. La gran pregunta que los físicos han estado haciendo desde entonces es si esta desviación podría ser evidencia de una nueva física más allá del Modelo Estándar o simplemente refleja incertidumbres sistemáticas inherentes a los diferentes métodos de medición.

En los últimos años, ha habido cada vez más evidencia de que el valor experimental más pequeño es el correcto, es decir, que no hay una nueva física detrás del rompecabezas del radio del protón. Los cálculos teóricos contribuyen de manera significativa a responder esta pregunta de manera definitiva. Ya en 2021, investigadores liderados por el Prof. Dr. Hartmut Wittig del Cluster de Excelencia PRISMA+ de Maguncia lograron realizar cálculos en red llamados cálculos de redes con suficiente precisión para proporcionar otra pista confiable sobre el radio más pequeño del protón.

'Mientras tanto, hemos dado otro gran paso adelante", explica Hartmut Wittig. "Por ejemplo, Miguel Salg, un estudiante de doctorado en mi grupo de investigación, ha logrado resultados muy buenos que mejoran y amplían significativamente nuestro cálculo anterior'.

Hace dos años, el grupo de investigación de Mainz solo calculó el llamado radio isovector, que no es lo mismo que el radio del protón. Determinaron el valor publicado en ese momento para el radio del protón agregando datos experimentales para el radio del neutrón. 'Mientras tanto, también hemos calculado las fracciones que faltaban en ese momento, aumentado nuestras estadísticas y limitado mejor los errores sistemáticos, por lo que ahora podemos prescindir completamente de los datos experimentales por primera vez', dice Miguel Salg.

'Además, pudimos comprobar hasta qué punto nuestro resultado de 2021 se mantiene con un cálculo directo completo, y el resultado fue que también estábamos correctos con el valor de 2021'. 'En cuanto al rompecabezas del radio del protón, podemos decir con seguridad que incluso con los nuevos cálculos, las pruebas siguen creciendo de que el radio del protón se describe correctamente por el valor más pequeño', dice Hartmut Wittig.

Los cálculos de los físicos de Mainz se basan en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). Describe la interacción de fuerzas en el núcleo atómico: la interacción fuerte une a los quarks, los bloques de construcción elementales de la materia, para formar protones y neutrones, y es mediada por gluones que actúan como partículas de intercambio. Para poder tratar estos procesos matemáticamente, los científicos de Mainz se basan en lo que se llama teoría de campos de red.

En este caso, como en un cristal, los quarks se distribuyen sobre los puntos de una red discreta de espacio y tiempo. Se pueden utilizar métodos especiales de simulación para calcular las propiedades de los nucleones utilizando supercomputadoras: en un primer paso, los llamados factores de forma electromagnéticos. Estos describen la distribución de carga eléctrica y magnetización dentro del protón. A partir de estos, a su vez, se puede determinar el radio del protón.

In addition to the electric charge radius, which has been discussed so far, the proton also has a magnetic charge radius, which also poses a puzzle. The Mainz theorists have also calculated this property on the basis of QCD. 'One could illustrate the different radii in a very simplified way by the expansion of an accumulation of electric or magnetic charge given by the proton, which an incoming electron 'sees' in the scattering process,' Hartmut Wittig explains.

The Mainz group also obtained a stable prediction for the magnetic charge radius for the first time, based purely on theoretical calculations. 'Furthermore, from the precise knowledge of the electric and magnetic form factors, we were able to derive for the first time the so-called Zemach radius of the proton purely from QCD, which is an important input quantity for the experimental measurements on muonic hydrogen. This shows once again how far the quality of lattice QCD calculations has advanced in the meantime,' Hartmut Wittig concludes.

Dalibor Djukanovic et al, Precision calculation of the electromagnetic radii of the proton and neutron from lattice QCD, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.07491

Dalibor Djukanovic et al, Zemach radius of the proton from lattice QCD, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.17232

Journal information: arXiv

Provided by Johannes Gutenberg University Mainz

 


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