El desoncertant radi del protó

Quant mesura un protó? Els protons són un dels components bàsics dels àtoms, de manera que interessava saber-ne totes les propietats i entre elles, és clar, la seva mida. Aquesta pregunta ha portat de corcoll durant uns quants anys als físics, ja que depenent del sistema que fessin servir per mesurar-ho, obtenien resultats diferents. Una situació freqüent en ciència, però en aquest cas sembla que ja comencem a veure la llum  al final del túnel.

Els àtoms estan fets per un nucli amb protons i neutrons i al seu voltant hi van girant uns electrons. Tot i que aquesta és la imatge que tots tenim al cap, en realitat requereix uns quants matisos. El més important és que els electrons no giren al voltant del nucli com fan els planetes al voltant del Sol. En realitat es van movent al voltant del nucli i depenent de la seva energia ocuparan una zona és o menys gran de l’àtom. En alguns indrets serà més probable trobar els electrons i en altres serà molt improbable, però això és tot.

També és important recordar que els protons (i els neutrons) són “grans”. Grans comparats amb els electrons, és clar. De fet, els electrons es considera que són partícules puntuals i sense estructura interna. Els protons, en canvi, estan fets per peces internes (els quarks) i tenen un diàmetre (o un radi) que es pot mesurar.

Per fer-ho, el que van fer va ser mesurar com canviava l’energia d’un electró a l’allunyar-se del nucli. Ho feien amb hidrogen, que al nucli només hi té un únic protó. Depenent de la seva mida, l’efecte que tindrà la seva càrrega positiva sobre els electrons serà una o altra. Amb això van trobar que el radi dels protons era d’uns 0,877 femtòmetres.

També ho van fer amb un altre sistema. Com que l’electró no segueix una òrbita sinó que es va movent per una zona determinada, de vegades pot passar per dins del nucli. Que dic, dins el nucli! Pot passar per dins del mateix protó! I en fer-ho, el seu moviment s’alterarà. Depenent de la mida del protó, aquest canvi serà més o menys gran i també permet calcular-ne el radi. Amb això van trobar que era d’uns 0,878 femtòmetres.

Genial! Si mirem amb més decimals veurem que les dues xifres no eren exactament iguals, però els marges d’error les feien perfectament compatibles. Semblava que ja ho teníem.

Peeeeeeerò…..

L’any 2010 van repetir l’experiment del pas dels electrons dins del protó, però fent servir muons en lloc d’electrons. I que és un muó? Doncs com una mena d’electró gegant. Totes les seves característiques són com les de l’electró però la seva massa és dues-centes vegades més gran. I això fa que les mesures puguin ser molt més precises que amb els lleugers electrons. I aleshores va saltar la sorpresa. El resultat obtingut va ser de 0,842. Un rellevant 4% inferior a les anteriors!

Aleshores que passa? La tècnica suposadament més sensible ofereix un resultat diferent del de les altres mesures, que són menys sensibles, però que en tenim més. Hi havia algun error metodològic? Potser algun principi de la física que encara no coneixem ens està afectant les mesures? Resulta igual d’empipador no tenir la solució a un problema que tenir-ne massa solucions diferents.

Però ara sembla que ja es va aclarint. Un altre grup d’investigadors ha tornat a mesurar-ho, fent servir de nou electrons, però amb un sistema millorat respecte de les primeres mesures. I el resultat nou (i per ara l’últim) és de 0,833. Un valor compatible amb la mesura del 2010.

De manera que sembla que cada vegada tenim més apamada la mida del protó. El seu radi és d’unes 0,84 milbilionèssimes parts d’un metre. Ara el dubte és entendre per quin motiu les primeres mesures no eren correctes i totes coincidien en la magnitud de l’error.

I és que en ciència, fins i tot quan aclareixes alguna cosa, s’obren noves qüestions per resoldre.

2 comentaris

  • Pons

    20/09/2019 9:26

    Hi ha gent més alta que altra, perquè no hi pot haver neutrons més alts? Home de poca ciència…

  • Joan Codina

    20/09/2019 8:05

    Jo recordo càlculs xulos de física atòmica on es pot substituir un electró per un muó i provaes de calcular-ne l’energia fonamental considerant o no un nucli finit.

    Però fer-ho al laboratori i amb un sol protó té el seu mèrit!!

    PS: Respecte del que dius dels orbitals. Es xocant quan trobes que els electrons sense moment angular tenen probabilitat no nul·la no només d’entrar al núcli. A més a més resulta que la tenen de ser a r=0.