Experimento revela un error en el tamaño del protón.

[Alriga]

Sobre este tema, hoy aparece en la revista Science el artículo "Una medición del desplazamiento Lamb del hidrógeno atómico y del radio de carga del protón", cuyos autores son N. Bezginov , T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha y EA Hessels. Intento traducir el abstract:

Desentrañando el rompecabezas del protón

La discrepancia entre el tamaño del protón deducido del desplazamiento Lamb en el hidrógeno muónico y el valor "de libro de texto" promedio basado en el hidrógeno regular (electrónico) ha dejado perplejos a los físicos durante casi una década. Una posible solución podría ser que los electrones interactúen con los protones de una manera diferente a la de los muones, lo que requeriría una "nueva física". Bezginov et al. han medido el desplazamiento Lamb en hidrógeno electrónico, lo que ha permitido una comparación directa con el desplazamiento Lamb medido en hidrógeno muónico. Los dos resultados coinciden, pero la discrepancia con el valor promedio “de los libros” permanece.

Resumen

La sorprendente discrepancia entre los resultados de diferentes métodos para medir el radio de carga de protones se conoce como el rompecabezas del radio del protón. En particular, las mediciones que utilizan electrones parecen conducir a un radio diferente en comparación con las que utilizan muones. Aquí se presenta una medición directa del desplazamiento de n = 2 Lamb del hidrógeno atómico. Nuestra medición determina que el radio del proton debe ser rp = 0.833 femtómetros, con una incertidumbre de ±0.010 femtómetros. Esta medición de rp basada en electrones concuerda con la obtenida a partir de la medición análoga del desplazamiento de Lamb basada en muones, pero no es consistente con el radio mayor que se obtuvo a partir del promedio de las mediciones anteriores basadas en electrones.

El enlace al artículo, (que es de pago): A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius

Concluyo pues (con la boca pequeña, pues soy bastante lego en el tema), que todo apunta a en que debía haber errores sistemáticos en las medidas del radio del protón anteriores a 2010 (año en que aparece la noticia en Nature que inicia el hilo), medidas que se habían realizado en el hidrógeno electrónico.

Saludos.

[oscarmuinhos]

Hola a todos/as

http://www.nature.com/nature/journal...100708-04.html

A mi este enlace (hoy: 7/09/2019) me devuelve esto:

Existe alguna otra página donde poder leerlo?
Gracias

[Alriga]

A mi este enlace (hoy: 7/09/2019) me devuelve esto:

Existe alguna otra página donde poder leerlo?

Es un enlace de 2010 que supongo que no ha sobrevivido. Creo que la información que apareció en Nature es esta: The size of the proton (Randolf Pohl, Aldo Antognini et al.)

Saludos.

[oscarmuinhos]

Muchas Gracias Alriga

[carroza]

La sorprendente discrepancia entre los resultados de diferentes métodos para medir el radio de carga de protones se conoce como el rompecabezas del radio del protón. En particular, las mediciones que utilizan electrones parecen conducir a un radio diferente en comparación con las que utilizan muones. Aquí se presenta una medición directa del desplazamiento de n = 2 Lamb del hidrógeno atómico. Nuestra medición determina que el radio del proton debe ser rp = 0.833 femtómetros, con una incertidumbre de ±0.010 femtómetros. Esta medición de rp basada en electrones concuerda con la obtenida a partir de la medición análoga del desplazamiento de Lamb basada en muones, pero no es consistente con el radio mayor que se obtuvo a partir del promedio de las mediciones anteriores basadas en electrones.[/I]

El enlace al artículo, (que es de pago): A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius

Concluyo pues (con la boca pequeña, pues soy bastante lego en el tema), que todo apunta a en que debía haber errores sistemáticos en las medidas del radio del protón anteriores a 2010 (año en que aparece la noticia en Nature que inicia el hilo), medidas que se habían realizado en el hidrógeno electrónico.

Saludos.

Hola. Algun input más sobre este tema:

- Hasta 2010, había un cierto consenso en que el radio del protón era de unos 0.87 fm. Esto estaba apoyado por algunas medidas, del espectro del hidrógeno (e+p), así como medidas de dispersión de electrones por protones. El valor aceptado de consenso, de la compilación CODATA, era 0.8768(69) fm.

- En 2010, Pohl y colaboradores hacen una medida del espectro de hidrogeno muónico ($\mu$ + p). Esta medida permite explorar mucho mejor el interior del protón, puesto que el muón, al ser 200 veces más pesado, tiene un radio atómico 200 veces más chico que el del electrón, y explora mejor la zona del interior del protón. El valor extraido para el radio del protón es 0.84184(67) fm, que es mucho más preciso que valor de consenso (CODATA), y significativamente más pequeño (0.84 en vez de 0.87 fm).

Esto abre el puzzle. Simplificando mucho, habría dos posibles salidas.

1) El muón no interacciona con el protón exactamente igual que el electrón. Esto sería un bombazo, que llevaría a encontrar física más allá del modelo estámdar, para el que el muón es básicamente un electrón más pesado.

2) El concepto de "radio del protón", es un concepto más sutil de lo que parece. No es lo mismo medirlo "a baja energía", es decir, estudiando el espectro de átomos electrónicos o muónicos, que estudiarlo "a alta energía", es decir mediante la dispersión de electrones, o muones, de varios GeV, por protones.

El trabajo que se cita es un trabajo muy interesante, que aumenta la precisión de las medidas del espectro (e+p), en concreto ciertas transiciones hiperfinas entre el estado 2p1/2 y el estado 2s1/2, y extrae un valor de 0.833(10) fm, que sería un valor compatible con el de los átomos muónicos.

La conclusión preliminar sería que efectivamente, electrones y muones interaccionan igual (larga vida al modelo estándar), y que hay que repensar el concepto de "radio del protón" (en la línea de (2).

Un saludo

[Alriga]

Hoy "La Mula Francis" se hace eco de lo que comentábamos aquí hace 9 días. Según la opinión de Francis Villatoro:

"La última [medida] se publica en Science: el radio del protón es 0.833 ± 0.010 femtómeros, medido con el desplazamiento Lamb del átomo de hidrógeno. Esta medida parece definitiva, por lo que ya se ha revisado el valor CODATA 2018 a 0.8414 ± 0.019 femtómeros. Así podemos afirmar que el problema del radio de carga del protón se ha resuelto: era más pequeño de lo que se pensaba en 2010"

"El nuevo resultado confirma el cálculo [previo] usando el hidrógeno muónico. Combinado con otras medidas recientes independientes no queda otro remedio que revisar el valor CODATA y aceptar que el protón es más pequeño de lo que se pensaba"

"tanto las medidas más recientes y precisas mediante espectroscopia [como] mediante dispersión arrojan un valor compatible con un radio más pequeño. Por ello se ha revisado este mes el valor CODATA 2018, aunque la publicación oficial no será hasta la publicación de CODATA 2020"

"el valor CODATA (Committee on Data for Science and Technology) 2014 para el radio de carga del protón era 0.8751(61) fm; mientras el obtenido analizando el efecto Lamb en la transición 2S→2P en el hidrógeno muónico era de 0.84087(39) fm. Resolver la discrepancia entre ambos valores ha requerido un gran esfuerzo en Física experimental durante la última década. Como he comentado más arriba, la repetición (mejorada) de experimentos clásicos ha cambiado el valor medido con el hidrógeno (electrónico) acercándolo al obtenido con el hidrógeno muónico"

"Así, para todos los interesados en este asunto, se puede dar por resuelto el problema. Las medidas más precisas, además de serlo, eran las más fiables. El protón ha resultado un poco más pequeño de lo que se pensaba hace diez años"

Fuente, la Ciencia de la Mula Francis: Resuelto el problema del radio del protón

Saludos.

PD: hoy (19/09/2019) le he preguntado a Francis en su blog sobre la interesante hipótesis apuntada en el post #19 por carroza.

[carroza]

Hola.

Discrepo con Francis Villatoro.

Como se ve en

https://www.researchgate.net/figure/...fig1_277723247

Lo que ha cambiado es el valor de "H spectroscopy", es decir, la estimación del radio del protón basado en los niveles del Hidrógeno. No han cambiado los valores del radio del protón obtenidos a partir de experimentos de dispersión de electrones. No puede darse por resuleto el problema.


(ahora vuelvo)

Un saludo

[Alriga]

... PD: hoy (19/09/2019) le he preguntado a Francis en su blog sobre la interesante hipótesis apuntada en el post #19 por carroza.

La pregunta:

Francis, el otro día un compañero nos apuntaba la idea de que tal vez el concepto de «radio del protón», pudiera ser un concepto más sutil de lo que parece. Y que podría no ser lo mismo medirlo «a baja energía», es decir, estudiando el espectro de átomos electrónicos o muónicos, que estudiarlo «a alta energía», es decir mediante la dispersión de electrones, o muones, de varios GeV, por protones.
¿Qué opinas? Gracias y saludos.

La respuesta de Francis en su blog:

Albert, se propuso como solución al problema, pero como ahora parece que no hay problema, ya dicha solución se puede descartar. Y, por cierto, no había discrepancia entre los resultados antes de 2010 mediante dispersión de electrones y espectroscopia del hidrógeno (electrónico); la discrepancia estaba en los resultados para el hidrógeno muónico y otros átomos muónicos.

Y la opinión de carroza en nuestro hilo, (ver actualización en post #23):

Hola.

Discrepo con Francis Villatoro.

Como se ve en

https://www.researchgate.net/figure/...fig1_277723247

Lo que ha cambiado es el valor de "H spectroscopy", es decir, la estimación del radio del protón basado en los niveles del Hidrógeno. No han cambiado los valores del radio del protón obtenidos a partir de experimentos de dispersión de electrones. No puede darse por resuleto el problema.

(ahora vuelvo)

Un saludo

En este intercambio de opiniones aprenderemos todos, saludos.

[carroza]

A ver, estoy de vuelta, tras mirar en detalle la bibliogragía citada por Francis villatoro.

Francis cita una medida de dispersión e-p muy reciente, que parece que está de acuerdo con los valores "pequeños" del radio, 0.84 fm. Esta citado como "this work". Es un trabajo realizado en Jefferson Laboratory, y prresentado en un congreso la semana pasada, esto es, el 13 de Septiembre de 2019. Cito el enlace:

https://indico.cern.ch/event/761800/...9_dutta_v2.pdf

La lectura es muy interesante, porque parece que por primera vez hacen medidas con momentos transferidos (Q) bajos, que son los que determinan de forma más precisa los radios.
Lo que me deja perplejo es que, cuando llega la página en la que se va a dar el valor de rp, aparece "This slide was removed". Lo mismo, cuando habla del valor revisado de CODATA, también "This slide was removed".

Así que la sitiación actual, a 16 de Septiembre, es que la justificación de los valores bajos de rp están en las transparencias de una presentación, del 13 de Septiembre, que el autor, por alguna razón, ha quitado.

Yo diría que habría que esperar a una publicación como Dios manda, antes de decir que el problema está resuelto

Un saludo

[Alriga]

Por si ayuda en algo, siguiendo las pistas dadas por carroza (scattering e-p) he encontrado este trabajo publicado a inicios de 2016 en APS-C que entiendo que reevaluaba los datos previos de experimentos de dispersión electrón/protón y concluía que sólo con esos datos previos a 2010 el radio del protón podía estar entre 0.84 y 0.89 fm, por lo tanto contrariamente a lo que se pensaba anteriormente, los datos de dispersión eran consistentes con las dos determinaciones discrepantes realizadas utilizando espectroscopía de átomos de hidrógeno muónica y electrónica.

El artículo es Evaluation of the strength of electron-proton scattering data for determining the proton charge radius (APS, Horbatsch, Hessels) y hay un preprint en arxiv: Evaluation of the strength of electron-proton scattering data for determining the proton charge radius (arxiv)

Saludos.

[carroza]

Gracias, Alriga, por la cita.

Este es un trabajo de reanálisis de las medidas de dispersión e-p. El problema que trata, es que para extrapolar el valor del radio del protón, a partir de las medidas de dispersión e-p, hay que extrapolar el comportamiento de las secciones eficaces de dispersión para valores Q bajo (momento transferido pequeño, lo que correspondería, de forma muy laxa, a "pequeña" transferencia de energía entre electrón y protón.

Las medidas experimentales requieren dispersión de electrones de cierta energía mínima, con lo cual hay que extrapolar los valores medidos, que hasta 2016 tenian un momento transferido de unos 100 MeV, hasta momentos mucho más pequeños. Eso se ha hecho hasta entonces (2016) con una parametrización considerada "razonable", que era la expresión dipolar de la formula (3) del paper que citas, y se obtenían valores de 0.88 fm. En el trabajo citado se prueba una parametrización diferente (4,5), y resultan valores distintos para el radio extraido del protón, 0.84 fm, que efectivamente son consistentes con los de átomos muónicos.

Debo indicar que este trabajo indica que, ya en 2016, se sospechaba que los valores del radio del protón, extraidas de las medidas de dispersión de electrones de centenares de MeV por protones, podrían ser diferentes del radio del protón medido a energía bajas, precisamente por la dificultad de extrapolar la sección eficaz a Q baja a partir de la sección eficaz a Q alta.
No obstante, habría que ser cauto, ya que el análisis detallado de experimentos complejos, como los de MAMI (Mainz) que llevaban al radio de 0.88, debe ser realizado por, o al menos en colaboración, con los grupos experimentales que los han medido.

El trabajo citado en https://indico.cern.ch/event/761800/...9_dutta_v2.pdf es muy interesante, ya que corresponde a una medida a Q muy bajo (unos 10 MeV), por lo que no sería necesario depender de extrapolaciones. Además, lo presentan los propios grupos experimentales de Jefferson laboratory (Prad collaboration). Lástima que no hagan publicos, todavía, los resultados.

En fin, yo esperaría a que Dutta et al, de la Colaboración Prad (experimentos en Jefferson laboratory, EEUU) publiquen sus resultados, y a que la colaboración MAMI (Mainz, Europa), repitan el experimento de dispersión e-p a energías más bajas, para que podamos quedarnos tranquilos en que, efectivamente, el radio del protón es 0.84 fm, como indican los átomos muónicos.

Un saludo

[Alriga]

Nature publica A small proton charge radius from an electron–proton scattering experiment, experimento que hace incidir un haz de electrones con energías 1-2 GeV que colisiona elásticamente contra un blanco de protones (hidrógeno gas) Como la amplitud de dispersión depende del radio de carga del protón, pueden calcular éste. Obtienen 0.831 resultado acorde con los 0.833 que obtuvo el estudio que comentamos el pasado 6 de Septiembre publicado en Science.

Por lo tanto parece definitivo que los resultados anteriores a 2010 estaban equivocados. La Mula Francis comenta el tema en Se confirma la solución al problema del radio del protón

Saludos.

[carroza]

Gracias, Alriga

En fin, yo esperaría a que Dutta et al, de la Colaboración Prad (experimentos en Jefferson laboratory, EEUU) publiquen sus resultados, y a que la colaboración MAMI (Mainz, Europa), repitan el experimento de dispersión e-p a energías más bajas, para que podamos quedarnos tranquilos en que, efectivamente, el radio del protón es 0.84 fm, como indican los átomos muónicos.

Vemos que se han publicado los resultados de Prad. Espero que los de MAMI recojan el guante y confirmen (o no) los resultados. Pero, por ahora, parece que las cosas convergen a un protón de 0.84 fm. Es especialmente interesante que converjan las medidas con eletrones y con muones. Esto es una prueba más de la universalidad de las interacciones (los muones son idénticos a los electrones, solo que con más masa).

Tendría curiosidad por ver la relevancia de estas medidas (protones de 0.84 fm en vez de 0.88), sobre la gente que usa lattice QCD para reproducir las propiedades de los hadrones. En principio, con Lattice QCD uno debería, eventualmente, predecir todas las propiedades de los protones, que son al fin y al cabo sistemas de quarks y gluones.. Lo primero es preproducir la masa, y lo segundo, para mí, sería reproducir el tamaño.

Un saludo

[Alriga]

Para confirmar definitivamente que el radio del protón es ~0.84 fm y no ~0.88 fm como figuraba en CODATA-2014 faltaba una medida independiente de la Constante de Rydberg. Esta nueva medida se ha publicado hace 5 días en Science, Two-photon frequency comb spectroscopy of atomic hydrogen (Grinin et. al.) que dice en el abstract:

* Constante de Rydberg $\boldsymbol{R_{\infty} = 10973731.568226(38) \ m^{-1}}$

* Radio de carga del protón $\boldsymbol{r_p = 0.8482(38) \ fm}$

El primer firmante del estudio, Alexey Grinin, dió una conferncia en Munich el pasado 30 de Junio, conferencia de la que he encontrado documentación en pdf, es Two-Photon Frequency Comb Spectroscopy of Atomic Hydrogen (Alexey Grinin) (Dissertation performed in the Laser Spectroscopy Division of the Max-Planck-Institute for Quantum Optics Garching presented to the Faculty of Physics of the Ludwig-Maximilians-Universität München). En el pdf se explican los detalles del experimento.

Francis Villatoro comenta estos resultados en La confirmación definitiva de la solución del problema del radio de carga del protón

Saludos.