Los físicos atómicos Edmund Myers y David Fink de la Universidad Estatal de Florida confinan dos iones en una trampa electromagnética, los rotan continuamente durante varias semanas y comparan sus masas con extrema precisión. Luego obtuvieron la estimación más precisa de la masa del protón hasta la fecha: 1,007276466574 ± 10-12 amu (unidades de masa atómica). Los hallazgos fueron publicados en Physical Review Letters.
Según Science, este pequeño número podría ser un gran problema, porque conocer con precisión la masa de un protón podría ayudar a los científicos a buscar nuevas fuerzas.
Para determinar la masa de un núcleo atómico ligero, como un protón, los científicos usan la física para disparar una partícula cargada, como un protón, verticalmente hacia un campo magnético, que empuja al protón a un lado para que gire a una frecuencia que indica la masa de la partícula. En la práctica, para mejorar la precisión de las mediciones, los físicos miden la proporción de masa de dos partículas diferentes comparando sus frecuencias.
Por ejemplo, en 2020, Myers y Fink midieron la relación de masa de un deuterón (un núcleo compuesto por un protón y un neutrón) a una molécula de hidrógeno ionizado (compuesta por dos protones unidos químicamente). Las dos partículas tienen la misma carga eléctrica y casi la misma masa, por lo que operan casi a la misma frecuencia, lo que aumenta la precisión de la medición.
Para lograr que los deuterones y los iones de hidrógeno funcionen en las mismas condiciones, Myers y Fink los pusieron en la misma trampa electromagnética durante semanas. Colocaron uno de ellos en una gran órbita con un diámetro de 4 milímetros, mientras medían el otro girando en una órbita de 40 micrómetros en el centro de la trampa, intercambiándose cada 10 minutos. Sin embargo, incluso esta técnica no es suficiente para asegurar que las medidas de las dos partículas sean completamente comparables. “Durante esos 10 minutos, el campo magnético cambia”, dijo Myers.
Ahora, Myers y Fink han resuelto el problema. Reprodujeron una técnica desarrollada en el MIT hace 20 años, girando tanto el deuterón como el ion de hidrógeno en el centro de la trampa, para que pudieran atravesar exactamente el mismo campo magnético. Los investigadores mejoraron la precisión de la frecuencia de los iones en un factor de cuatro y, utilizando algunos resultados teóricos, pudieron determinar que la proporción de masa de deuterones a protones es de 4,5 partes por billón.
Finalmente, para estimar la masa del protón, Myers y Fink combinaron su relación de medición con una medición extremadamente precisa de la masa del deuterón publicada el año pasado por el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania. La incertidumbre de la nueva estimación de masa de protones es una quinta parte del promedio oficial del Comité de Datos del Consejo Internacional para la Ciencia (CODATA).
Sin embargo, este resultado aún no establece un nuevo valor para la masa del protón. Myers y Fink usaron un haz de electrones para sacar un electrón de una molécula de hidrógeno, creando iones de hidrógeno atrapados. Este proceso violento hace que los iones vibren y giren con energía interna. Como se establece en la teoría de la relatividad de Einstein, la energía es equivalente a la masa y aumenta ligeramente la masa medida del ion, que Myers y Fink tuvieron que corregir.
Según la mecánica cuántica, la cantidad de energía vibracional o rotacional de un ion es discreta. A medida que el ion irradiaba energía vibratoria paso a paso, el experimentador podía observar cómo disminuía su masa. Pero para estimar cuál es su energía de rotación en cada paso, Myers y Fink se basaron en inferencias basadas en la teoría que introdujeron cierta incertidumbre.
Incluso si las asignaciones del equipo no son del todo correctas, los datos sugieren que la incertidumbre en su masa de protones estimada puede ser de no más de 16 partes por billón, dijo Matthew Redshaw, físico nuclear de la Universidad Central de Michigan que no participó en el estudio. Este es, con diferencia, el valor más preciso.
Jeroen Koelemeij, físico atómico y molecular de la Vrije Universiteit Amsterdam, dice que su equipo está utilizando láseres para crear y atrapar iones de hidrógeno en estados vibracionales y rotacionales conocidos. Esta técnica se puede combinar con el método de Myers y Fink para reducir aún más la incertidumbre.
