Materia exótica

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Una visión sobre el enigma del radio del protón.

El átomo

El estudio escrupuloso del átomo ha sido, por más de 100 años, el percutor que ha desencadenado maravillosos desarrollos teóricos de la física del microcosmos del siglo XX. Desde los famosos experimentos de Rutherford, llevados a cabo por Hans Geiger y Ernest Marsden entre 1908 y 1913, cada paso en la evolución de la física cuántica ha estado relacionado con el entendimiento de la estructura atómica y su interacción con la radiación electromagnética. 

La materia absorbe y emite luz. Cada uno de estos procesos define un patrón llamado “espectro”, que constituye una huella digital para cada elemento de la tabla periódica. Entonces, cada elemento puede ser identificado por su espectro y esto constituye una pieza esencial en el estudio de la estructura del átomo y sus mecanismos de interacción.
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Representación de un experimento de espectro de absorción de luz.

El pionero fue Bohr, quien ideó un modelo descriptivo de los niveles de energía discontinuos del electrón en el átomo de Hidrógeno que eran inexplicables usando principios de mecánica clásica. Esto es, desde el punto de vista de la física conocida antes de los experimentos de Rutherford, no había ninguna explicación para la observación de que la energía del electrón cuando está enlazado al átomo solo toma ciertos valores y no un continuo de números. Luego, con el establecimiento de los postulados de la mecánica cuántica no relativista de Heisenberg y Schrödinger se logró un marco teórico consistente capaz de describir propiedades de los de los electrones ligados al núcleo en los átomos y en las moléculas.

La espectacular concordancia entre los experimentos y las predicciones de la teoría cuántica la convirtió en un área de física terriblemente exitosa. La mecánica cuántica describe propiedades de los espectros con precisión, así como los efectos causados por campos externos eléctricos (efecto Stark) y magnéticos (efecto Zeeman) sobre los átomos. También es esencial en el entendimiento de los diferentes enlaces químicos, de la estructura molecular y cristalina de la materia. En general, la física del estado sólido depende de la mecánica cuántica. Sin ella, no podemos explicar fenómenos como el ferromagnetismo, la superconductividad, los semiconductores, por mencionar solo unos pocos. No es posible construir electrónicos, computadoras corrientes y mucho menos computadores cuánticos; incluso el teléfono inteligente o tableta, en la que en este momento estás leyendo este artículo, dependen de la física cuántica.

No obstante, la mecánica cuántica no es suficiente. Existen fenómenos en el átomo, observados en experimentos de alta precisión, que no pueden ser descritos sin introducir correcciones de relatividad especial. Los electrones en el átomo tienen estados ligados, esto es, las condiciones bajo las cuales el electrón está enlazado al núcleo. Estos estados están caracterizados por: los niveles de energía, la distribución espacial de los electrones con respecto al núcleo, para cada nivel de energía, formalmente conocidos como estados de momento angular, y una propiedad intrínseca del electrón llamada espín.

De acuerdo con la mecánica cuántica, hay estados de momento angular y espín que tienen exactamente la misma energía. Sin embargo, mediciones muy finas revelan que en algunos casos hay diferencias de energía muy pequeñas entre estos estados que no pueden ser explicadas con mecánica cuántica no relativista. La mecánica cuántica relativista, desarrollada por Paul Dirac en 1928 (premio Nobel 1933, junto con Schrödinger), logra explicar algunas de estas diferencias de energía, pero se queda corta y no consigue aclararlas todas. En 1941, Lamb y Retherford1, observaron un desplazamiento de energía hiperfino no descrito por la teoría de Dirac, fenómeno que se conoce como “el corrimiento de energía de Lamb”. Este efecto sólo pudo ser explicado tras la concepción de la teoría cuántica del campo electromagnético o electrodinámica cuántica, por Richard Feynman, Shin’ichirō Tomonaga y Julian Schwinger (premio Nobel 1965).

Asimismo, para llegar a la compresión profunda de la composición y estructura del núcleo, hizo falta el desarrollo de formulaciones matemáticas sobre las fuerzas nucleares: electrodébil y fuerte; la primera fue establecida en los años 60s por Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam (premio Nobel 1999), y la segunda en los 70s, conocida como cromodinámica cuántica, propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross (premio Nobel 2004). Todos estas construcciones teóricas, junto con la electrodinámica cuántica, constituyen el fundamento del Modelo Estándar de partículas subatómicas.

Más allá del átomo

El Modelo Estándar no solo describe a la materia que compone a los átomos y a las moléculas, también  otras sustancias que participan de las mismas interacciones o fuerzas pero que sólo se pueden ver en los grandes aceleradores como el LHC o en los rayos cósmicos, muchas de ellas se generaron durante los primeros minutos después del Big Bang pero no llegaron a formar parte de la materia por ser muy inestables. Desde el punto de vista fenomenológico, el Modelo Estándar clasifica a las partículas más fundamentales en leptones y quarks. El electrón es un leptón y los protones y neutrones están compuestos por los quarks: up y down (arriba y abajo, si, así se llaman). En general hay 3 familias de leptones y 3 de quarks. También considera a las interacciones entre ellas: electromagnética, electrodébil y fuerte y explica el origen de la masa, a través del campo de Higgs. (Aquí puedes encontrar una explicación completa sobre el Modelo Estándar y aquí sobre el bosón Higgs).

Los logros del Modelo Estándar han sido notables. Todas las partículas, sus propiedades e interacciones predichas por él han sido observadas. El bosón de Higgs era el último eslabón en esta cadena impresionante de hallazgos que lo mantiene vigente. Aun así, a pesar de eso, sabemos que hay más. Entendemos que el Modelo Estándar no es suficiente. Debemos aventurarnos a buscar qué hay más allá del Modelo Estándar para lograr una comprensión del microcosmos compatible con la gravedad de Einstein (Relatividad General), y que nos permita desentrañar secretos del Universo como la materia oscura y la energía oscura. Entonces, ¿puede el estudio del átomo seguir impulsando la generación de conocimiento científico, esta vez más allá del Modelo Estándar? Apuesto que sí.

Materia sintética o exótica y el enigma del radio del protón

El estudio del átomo aún hoy después de 100 años continúa más vivo que nunca. Los físicos experimentales construyen átomos de hidrógeno con materia exótica para investigar sus propiedades y comparar con las predicciones teóricas. Por ejemplo, el experimento ALPHA del CERN, consiste en construir y atrapar átomos de antihidrógeno, es decir, que contienen un antiprotón y un positrón para estudiar sus propiedades. Aun cuando teóricamente dicho átomo debería tener carga eléctrica neutra, tal como el de hidrógeno ordinario, los físicos nunca dan nada por sentado y durante varios años se han dedicado a comprobar que, efectivamente, el átomo de antihidrógeno es neutro. Resultado que han logrado con alta precisión. Los científicos de la colaboración ALPHA también realizan experimentos para observar la reacción de estos antiátomos frente a la gravedad, si se comportan igual que los átomos de materia.

Por otro lado, los físicos experimentales tienen varias décadas produciendo y estudiando átomos exóticos que tienen muones en vez de electrones, enlazados al núcleo. Un muón es una partícula con las mismas propiedades que un electrón, pero con una masa 200 veces mayor. La colaboración CREMA ha logrado desarrollar técnicas para medir los espectros de los átomos de muones y en particular el corrimiento de energía de Lamb, abriendo nuevamente una caja de Pandora2. Veamos en qué consiste.

Los cálculos del corrimiento de energía de Lamb requieren considerar al radio del núcleo como una cantidad finita, es decir, el que núcleo ocupe una región del espacio, que no sea un punto. Para el átomo de hidrógeno, el radio del núcleo sería simplemente el radio del protón. Físicamente el radio del protón define el volumen sobre el cual está esparcida su carga eléctrica. Entonces, lo que ha ocurrido experimentalmente es que las mediciones de alta precisión del corrimiento de Lamb en el átomo de hidrógeno muónico, de deuterio y ahora de helio revelan un tamaño del protón y de los núcleos de deuterio y helio muónico más pequeño que el del átomo de hidrógeno, deuterio y helio con electrones. Es decir, el muón parece encoger al protón, cuando forman un átomo de hidrógeno. Este efecto, conocido como “el enigma del radio del portón”, no ha podido ser explicado dentro de los fundamentos disponibles. Algunos expertos trabajan en resolver este acertijo dentro del Modelo Estándar, otros opinan que es posible que nuevamente el átomo empuje la frontera del conocimiento y nos haga a ir más allá del Modelo Estándar.

  1. W. E. Lamb and R. C. Retherford Phys Rev 72 (1941) 241 []
  2. Pohl, R., et al., “The size of the proton”, Nature, Vol. 466, pp 213–216, 2010; Antognini, A., et al., “Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen”, Science, Vol. 339, Issue 6118, pp. 417-420, 2013; The CREMA collaboration, “Laser spectroscopy of muonic deuterium, Science, Vol 353, ISSUE 6300, 12 August 2016; The CREMA collaboration, “Laser spectroscopy of muonic atoms and ions”, arxiv:1609.03440, 12 septiembre 2016 []
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