Por qué los muones están rompiendo los esquemas de la materia tal y como la conocemos

Lo estándar puede ser lo más general o lo más aceptado, pero incluso en física puede ser puesto en duda. A quien más y a quien menos le suena eso de que la materia se compone de átomos y puede que algo más allá, conociendo algunas de las partículas que a su vez componen el átomo. El "problema" es que este Modelo Estándar de la física de partículas es algo que se ha aceptado pero que aún requiere comprobaciones, y lo que se está viendo es lo contrario, es decir, más contradicciones.

Estos últimos hallazgos que apuntan a que hay algo que revisar en este modelo son los relacionados con la medida del radio de los protones, unas de estas partículas que componen el radio. Hace unos años un nuevo modo de medición, el uso de muones, rompió los esquemas por unas centésimas de femtómetro (la milbillonésima parte de un metro, esto es, 1x10^-15 metros). ¿Qué ocurre con los muones y por qué podrían corregir lo establecido?

Los muones, la operación bikini del protón

Veamos en qué consiste esta pequeña y al mismo tiempo importante diferencia entre una y otra medida del radio del protón. Igual que las grandes distancias no se miden con unidades tradicionales como el kilómetro (sino con años luz), cuando hablamos de estas pequeñísimas dimensiones tampoco pueden medirse de una manera habitual, con alguna especie de regla nanoscópica. Aquí hablamos de formas que no están bien definidas, de modo que sería como intentar medir con una regla o una cinta métrica algo borroso.

En este caso se atiende las capas de energía de la partícula, concretamente los electrones y a su cambio de una a otra. Así, teniendo en cuenta el efecto Lamb (los cambios energéticos debidos a que un electrón esté en un nivel u otro) se estableció que el radio del protón, y por tanto el valor que se aceptó hasta el momento fue de 0,8775(51) fentómetros.

Sin embargo, desde hace años se empezó a estudiar con muones en vez de electrones, teniendo las primeras la misma carga pero una masa 200 veces superior, de modo que los efectos como el de Lamb son más intensos, midiéndose mejor. Se buscaba pues obtener un valor más redondo y asegurar decimales, pero lo que se obtuvo con estos protones "muonizados" fue un valor de 0,84087(39) femtómetros. Es decir, un 5% menos de lo aceptado hasta el momento.

Una analogía sencilla para entender todo esto sería la siguiente: pongamos que todos los seres humanos somos iguales y tenemos unas mismas dimensiones, y esas dimensiones se ha estado midiendo con una misma prenda siempre. Ahora hemos cambiado la prenda por otra más ceñida, de modo al medirnos nuevamente podemos tener un valor más exacto de nuestro contorno (que en este caso sería menor del esperado).

El status quo de lo subatómico en peligro

Aunque ese 5% nos pueda parecer poco, la obtención de este nuevo valor no puede simplemente aceptarse y seguir adelante, sino que requiere una buena explicación. El propio Modelo Estándar ya se deja cosas por describir, como la fuerza gravitatoria, y ese hallazgo pone ahora en entredicho lo establecido según este modelo. De hecho esta nueva medida pone en la palestra varias posibilidades para la física según un valor u otro sea el más acertado.

Por una parte podría significar que lo convenido hasta el momento es erróneo, es decir, que se hayan mantenido errores durante 60 años en la física teórica. De hecho, lo cierto es que no se puede asegurar al 100% que no haya algún pequeño error en la electodinámica cuántica (son modelos aceptados por pruebas experimentales que como hemos visto pueden incluir alguna deficiencia, de ahí que se hable de modelo y no de teoría).

Por otra, y aunque suene algo a película, podríamos estar viendo una dimensión extra. Algo que, como explican en Cuentos cuánticos, podría haberse expuesto al cambiar los electrones por muones, y para lo cual no existen experimentos probatorios ni que lo desechen. Y por último está la posibilidad de que lo obtenido con el protón muónico estuviese equivocado, aunque esto parece más remoto debido a la gran cantidad de experimentos y trabajos que desde 2005 hay al respecto, como la tesis de Aldo Sady Antognini, o el que se considera el original, planteando ya lo que se llama el "puzzle del radio del protón", el de Randolf Phol, o los algo más recientes como el de Carl E. Carlson de 2015.

El deuterio munónico y lo que nos queda por muonizar

Entonces, ¿cómo puede salirse de dudas con esto? La respuesta podría encontrarse probando a jugar con estos átomos exóticos con muones pero de deuterio, los cuales se diferencian de los de hidrógeno al tener no sólo un protón en el núcleo, sino también un neutrón. Por ello éste último debe alterar la manera en que electrones y muones perciben la carga del protón.

De nuevo la medida se basa en determinar los cambios energéticos que hay cuando las partículas cambian de subnivel, en este caso cuando los muones pasan de un orbital a otro. Y de nuevo es el equipo de Pohl el que ha llevado a cabo este experimento y al parecer veremos los resultados publicados en Science durante el día de hoy, como nos dice el teaser de QuantaMagazine, desvelándonos además que de nuevo la medida vuelve a ser más pequeña que la obtenida con electrones.

No obstante, el propio Phol se muestra cauto de cara a plantear una nueva física. El científico apunta a que más bien ha habido un error en los cálculos debido a la medida incorrecta de una constante (la de Rydberg). En la actualidad ya existen experimentos con tal de comprobar esto así como otras hipótesis, y el equipo de Phol se halla trabajando con átomos de helio (primero un protón, después un protón y un neutrón, y con éste dos protones en el núcleo).

Lo que está claro es que los avances tecnológicos nos permiten medir cada vez con más precisión los fenómenos y los elementos conociendo mejor la naturaleza, ya sea a esta pequeñísima escala como en el lado opuesto, el espacio. De hecho, como ocurre con el Modelo Estándar, la Teoría del todo sigue siendo susceptible a ser refutada. ¿Seremos testigos de una redefinición de alguno de estos conceptos o de algún renacimiento en la física hasta ahora aceptada en los próximos años?

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