El protón tiene una carga eléctrica positiva de una unidad fundamental: +1,602 × 10−19 culombios. Su antipartícula, el antiprotón, posee la misma masa y el mismo espín que el protón, pero una carga eléctrica de igual magnitud y signo contrario: −1,602 × 10−19 culombios.
El protón y el antiprotón no son la misma partícula con una carga invertida de manera abstracta, sino entidades físicas distintas. El protón forma parte de los núcleos atómicos de la materia ordinaria, mientras que el antiprotón es una partícula de antimateria que, al encontrarse con un protón, puede aniquilarse con él y transformarse en otras partículas.
Qué es un protón
El protón es una partícula que forma parte de toda la materia visible que está a nuestro alrededor. Sabemos que los objetos se componen de átomos y que los núcleos de los átomos contienen protones. Es una partícula con carga eléctrica positiva y de un tamaño del orden de fentómetros (1 fm = $10^{-15}$ m), diminuta pero no puntual, ya que tiene estructura interna.
El protón es un hadrón, es decir, una partícula que siente la interacción fuerte porque se compone de quarks. En principio, de quarks y de gluones. Los quarks, por ahora, son partículas puntuales que sienten la interacción fuerte (una de las interacciones que existen en la naturaleza además de la débil, la electromagnética y la gravitatoria) y los gluones son las partículas que transmiten dicha interacción, los mediadores de la fuerza.
Los protones están clasificados como bariones y se componen de dos quarks arriba y un quark abajo, los cuales también están unidos por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones. En una aproximación extremadamente simplificada se suele considerar que los nucleones (protones y neutrones) están formados por 3 quarks denominados quarks de valencia (dos quarks down y un quark up en el caso del neutrón, y dos quarks up y uno down para el protón).
No obstante, desde un punto de vista más profundo, más del 50% de la masa propia de los nucleones viene de la energía de enlace debida a la interacción fuerte y a un sinfín de quarks y gluones que se están constantemente produciendo y desintegrando en su interior. Pero, además, el protón contiene fotones y esto no es tenido en cuenta en algunos de los cálculos que hacen los físicos teóricos.
Valor de la carga eléctrica del protón
En química, el protón (en griego protón significa primero) es una partícula subatómica con una carga eléctrica de una unidad fundamental positiva (1,602 × 10-19 culombios) y una masa de 938,3 MeV/c2 (1,6726 × 10-27 kg) o, del mismo modo, unas 1836 veces la masa de un electrón.
| Partícula | Carga eléctrica | Masa |
|---|---|---|
| Protón | +1,602 × 10-19 culombios | 938,3 MeV/c2 (1,6726 × 10-27 kg) |
| Electrón | −1,6 × 10−19 C | 9,1 × 10-31 kg |
| Antiprotón | −1,602 × 10-19 culombios | La misma que la del protón |
El número atómico de un elemento indica el número de protones de su núcleo, y determina de qué elemento se trata. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) es un único protón.
El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. Los núcleos de otros átomos están compuestos de nucleones unidos por la fuerza nuclear fuerte. El número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es.
Debido a que la fuerza electromagnética es muchos órdenes de magnitud más fuerte que la fuerza gravitatoria, la carga del protón debe ser opuesta e igual (en valor absoluto) a la carga del electrón; en caso contrario, la repulsión neta de tener un exceso de carga positiva o negativa causaría un efecto expansivo sensible en el universo, y, asimismo, en cualquier cúmulo de materia (planetas, estrellas, etc.)
Qué es el antiprotón
El equivalente en antimateria del protón es el antiprotón, el cual tiene la misma magnitud de carga que el protón, pero de signo contrario. El antiprotón es la antipartícula del protón. Se conoce también como protón negativo.
Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente.
Cada partícula elemental posee una antipartícula asociada, con la misma masa y espín, pero con cargas aditivas opuestas (eléctrica, bariónica, leptónica, etc.). Una antipartícula no es simplemente una imagen en espejo: se trata de una entidad distinta, con un papel físico bien definido en las interacciones.
| Partícula | Antipartícula |
|---|---|
| Electrón $e^-$ | Positrón $e^+$ |
| Protón $p$ | Antiprotón $\overline{p}$ |
| Neutrón $n$ | Antineutrón $\overline{n}$ |
| Quark $u$ | Antiquark $\overline{u}$ |
Por ejemplo, la antipartícula del electrón (carga eléctrica negativa) es el positrón, que tiene la misma masa y espín pero con carga positiva. La del protón (carga positiva) es el antiprotón, que porta una carga negativa, y así sucesivamente.
Por convención, las antipartículas suelen representarse con una barra sobre el símbolo de la partícula. Así, la antipartícula del protón $p$ se denota $ \overline{p} $. Sin embargo, existen excepciones: el positrón (antielectrón) casi siempre se escribe como $ e^+ $ en lugar de $ \overline{e} $, y el antimuón como $ \mu^+ $ en lugar de $ \overline{\mu} $.
Qué cambia entre el protón y el antiprotón
Cuando hace 13.700 millones de años tuvo lugar el Big-Bang y se crearon las partículas, algunas de ellas se crearon en dos versiones, que manteniendo iguales algunas de sus propiedades se diferenciaban solo en algunas otras. El caso más simple y conocido es el del electrón y el positrón que tienen iguales su masa y su espín, pero el primero tiene una carga eléctrica negativa (e-) y el segundo la tiene positiva (e+).
Esto se expresa diciendo que el positrón es la antipartícula del electrón. En general, podemos decir que no cambian las propiedades que no pueden tener valores opuestos a los que ya tienen, como la masa o el espín, y sí cambian las propiedades que pueden tener valores opuestos a los que ya tienen, como la carga eléctrica, la carga débil, las interacciones fuerte y débil, o el número bariónico, dando lugar a que cada partícula y su antipartícula tengan propiedades opuestas.
La diferencia esencial entre el protón y el antiprotón puede resumirse así:
- Masa: es la misma para ambas partículas.
- Espín: tienen el mismo valor de espín.
- Carga eléctrica: el protón tiene carga positiva y el antiprotón carga negativa.
- Número bariónico: el protón y el antiprotón tienen valores opuestos.
- Composición: el protón está formado por quarks, mientras que el antiprotón está formado por antiquarks.
- Constitución de los núcleos ordinarios: los protones forman parte de los núcleos atómicos; los antiprotones no forman parte de los núcleos de la materia ordinaria.
Conviene subrayar que la “oposición” de cargas no tiene por qué ser eléctrica. Una antipartícula puede diferenciarse en otros números cuánticos aditivos, como el número bariónico, el número leptónico u otros números cuánticos.
Por ejemplo, el neutrón no posee carga eléctrica, por lo que su antipartícula -el antineutrón- no se distingue por la carga, sino por otros números cuánticos.
El protón como partícula compuesta
No es sencillo hablar de “compresión” en el sentido clásico cuando estamos tratando con partículas subatómicas. Muchas veces, para que resulte más fácil su comprensión, se considera a las partículas subatómicas como esferas y se hacen cálculos de mecánica clásica con ellas sin tener en cuenta que la física que interviene en estos procesos pertenece al dominio de lo cuántico.
El electrón es una partícula elemental (o al menos eso pensamos hoy en día), lo cual significa que no posee ningún tipo de subestructura. No tiene por lo tanto sentido hablar de compresión en algo que de por si no tiene volumen.
Un caso más complicado es el de los neutrones y los protones. De manera general, las partículas formadas por quarks unidos mediante la interacción fuerte se conocen con el nombre de hadrones.
Una de las peculiaridades de la interacción fuerte es que, a diferencia de las otras interacciones conocidas (débil, electromagnética y gravitacional), no disminuye su fuerza al incrementarse la distancia. A partir de una cierta distancia (aproximadamente el tamaño de un hadron), la fuerza fuerte permanece a un valor constante de aproximadamente 10.000 newtons, da igual cuanto se alejen los quarks.
Esto quiere decir que para conseguir comprimir un protón necesitaríamos aplicar una fuerza mayor que la fuerza fuerte y por el momento no conocemos ninguna fuerza de estas características en la naturaleza.
Masa, estabilidad y estructura del protón
La masa del protón y el neutrón es muy similar. En el caso del protón es de 1.6726×10−27 kg mientras que en el caso del neutrón su masa es de 1.6749×10−27 kg. El neutrón es por lo tanto apenas 0.1% mayor que el protón.
Esta pequeña diferencia de masa es clave para entender el Universo tal como es ahora, con la materia visible formada esencialmente por protones, y es clave para que estos protones sean estables o que al menos tengan una vida media del orden o mayor que la edad del Universo.
Esto hace también que los núcleos no se desintegren y existan tal cual, ya que, aunque el neutrón es inestable, dentro de los núcleos no se desintegra.
Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse.
Los protones son parte esencial de la materia ordinaria, son estables a lo largo de períodos de miles de millones, incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si los protones acaban desintegrándose, en una escala temporal de 1033 años o más.
Este interés se deriva de los actuales intentos de lograr teorías de unificación que combinen las cuatro interacciones fundamentales de la materia en un único esquema. Muchas de las teorías propuestas implican que el protón es, en último término, inestable, por lo que los grupos de investigación de numerosos aceleradores de partículas están llevando a cabo experimentos para detectar la desintegración de un protón.
Hasta ahora no se han encontrado pruebas claras; los indicios observados pueden interpretarse de otras formas.
Carga del protón en química
En química y bioquímica, el término protón puede referirse al ión de hidrógeno (H+). En este contexto, un emisor de protones es un ácido, y un receptor de protones una base.
Esta especie, H+, es inestable en solución, por lo que siempre se encuentra unida a otros átomos. En soluciones acuosas forma el ion hidronio u oxonio (H3O+), donde el protón está unido de forma covalente a una molécula de agua.
En este caso se dice que se encuentra hidratado, pero también pueden existir especies de hidratación superior.
Cómo se descubrió el protón y su antipartícula
Generalmente se le acredita a Ernest Rutherford el descubrimiento del protón. En el año de 1918 Rutherford encontró que cuando se disparan partículas alfa contra un gas de nitrógeno, sus detectores de centelleo mostraron los signos de núcleos de hidrógeno.
Rutherford determinó que el único sitio del cual podían provenir estos núcleos era del nitrógeno y que por tanto el nitrógeno debía contener núcleos de hidrógeno. Por estas razones Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, que para la época se sabía que su número atómico era 1, debía ser una partícula fundamental.
Antes que Rutherford, Eugene Goldstein, había observado rayos canales compuestos de iones cargados positivamente. Luego del descubrimiento del electrón por J.J. Thompson, Goldstein sugirió que puesto que el átomo era eléctricamente neutro, el mismo debía contener partículas cargadas positivamente.
Goldstein usó los rayos canales y pudo calcular la razón carga/masa. Encontró que dichas razones cambiaban cuando cambiaba los gases que usaba en el tubo de rayos catódicos. Lo que Goldstein creía que eran protones resultaron ser iones positivos. Sin embargo, sus trabajos fueron largamente ignorados por la comunidad de físicos.
En 1927, el físico Paul Dirac se propuso formular una ecuación capaz de describir el comportamiento de los electrones libres de manera consistente tanto con la mecánica cuántica como con la relatividad. Lo consiguió al llegar a la siguiente expresión:
$$ E^2 - p^2c^2 = m^2c^4 $$
Sin embargo, la ecuación tenía un rasgo desconcertante: admitía dos tipos de soluciones energéticas:
$$ E = \pm \sqrt{p^2 c^2 + m^2 c^4} $$
La solución positiva, $ E = + \sqrt{p^2 c^2 + m^2 c^4} $, resultaba natural: describía un electrón con energía positiva, tal y como se espera en cualquier partícula ordinaria. La solución negativa, $ E = - \sqrt{p^2 c^2 + m^2 c^4} $, planteaba un problema más serio: parecía sugerir la existencia de electrones en estados de energía negativa.
Para resolver esta paradoja, Dirac propuso una idea revolucionaria: todos los estados de energía negativa ya están ocupados por electrones invisibles, formando lo que denominó el “mar de Dirac”. Este mar de electrones impregnaría el universo pero permanecería invisible: perfectamente uniforme, inerte e inobservable, sin ejercer fuerzas ni generar interacciones con la materia ordinaria.
Ahora bien, si uno de estos estados quedaba vacío -dejando un “hueco” en el mar-, ese hueco se comportaría como una partícula con energía positiva, carga positiva y la misma masa que el electrón. Esa partícula es lo que hoy conocemos como el positrón, la antipartícula del electrón.
En un primer momento, Dirac conjeturó que esos “huecos” podrían corresponder a protones. Pronto descartó la hipótesis, ya que la masa del protón es miles de veces mayor que la del electrón.
En 1932, Carl Anderson observó experimentalmente el primer positrón, confirmando de manera contundente la predicción de Dirac. Sin embargo, la noción del “mar de electrones” fue abandonada en la década de 1940, cuando Stueckelberg y Feynman reinterpretaron los positrones como auténticas partículas de energía positiva.
Desde entonces, los positrones se consideran partículas reales, y no simples “huecos” en un medio imaginario. Este avance condujo rápidamente a la idea general de que toda partícula debe poseer una antipartícula correspondiente, con la misma masa pero carga opuesta.
En los años cincuenta, los experimentos en el Bevatron de Berkeley confirmaron esta visión con el descubrimiento del antiprotón y el antineutrón.
El conocimiento de la existencia de las antipartículas data de 1931, y se debió de forma independiente y simultánea a Carl Anderson en Estados Unidos y a Paul Dirac en Europa. El primero lo hizo de forma experimental estudiando la radiación cósmica con una cámara de niebla, y a la partícula descubierta la llamó positrón; Dirac postuló la existencia del positrón para interpretar la solución de energía negativa de su ecuación.
Sin embargo, el antiprotón se resistió un poco más y no se descubrió hasta 1955, lo que tuvo lugar en el acelerador de partículas del laboratorio Fermilab.
El antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, por Emilio Segre y Owen Chamberlain, razón por la cual les fue concedido el Premio Nobel de Física en 1959.
Aniquilación del protón y del antiprotón
Cuando una partícula y la correspondiente antipartícula se unen, se repone el estado original y desaparecen las dos. En el caso del protón y el antiprotón, ambas partículas pueden transformarse en mesones, cuya vida media es extremadamente breve.
El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve (véase Radiactividad).
La aniquilación no significa que la carga eléctrica desaparezca sin más, sino que las cargas iniciales, de signos opuestos, se compensan en el estado final. La energía y los números cuánticos conservados se redistribuyen entre las partículas producidas.
Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula se aniquilan mutuamente, en un proceso que es de los más energéticos que existen en el universo.
Antipartículas, antimateria y antihidrógeno
La materia compuesta exclusivamente por antipartículas recibe el nombre de antimateria. La antimateria presenta una característica notable: cuando materia y antimateria se encuentran, se aniquilan liberando energía en forma de fotones gamma.
$$ e^- + e^+ \rightarrow \gamma + \gamma $$
Ahora bien, la mera existencia de un positrón aislado no basta para hablar de antimateria. Para ello es necesario un sistema estructurado, como un antiátomo o una molécula estable de antimateria.
En otras palabras, la antimateria se construye a partir de antipartículas, pero no toda antipartícula por sí sola constituye antimateria. Un positrón aislado o un antineutrino que recorre el espacio sigue siendo únicamente una antipartícula, no antimateria.
Un átomo de antihidrógeno está formado por un antiprotón $ \overline{p} $ en el núcleo y un positrón $ e^+ $ (la contraparte de antimateria del electrón) orbitando a su alrededor.
A diferencia del hidrógeno, las cargas del protón y del electrón están invertidas. Como estas antipartículas forman una estructura estable y eléctricamente neutra, el antihidrógeno sí se considera antimateria.
La antimateria es una forma estructurada de materia compuesta por antipartículas ligadas, mientras que las antipartículas también pueden existir de manera independiente sin dar lugar a antimateria.
Si tomáramos la antipartícula del protón y pusiéramos orbitando a su alrededor los correspondientes positrones tendríamos un antiátomo, que podría ser la base de una materia alternativa a la que conocemos, que se denomina antimateria.
Producción natural y artificial de antipartículas
La existencia de antipartículas es una realidad. Tras el Big-Bang, se crearon partículas y antipartículas casi en la misma cantidad.
En lugar de preguntarnos por qué desaparecieron las antipartículas parece más correcto preguntarnos más bien por qué sobrevivieron las partículas. La respuesta podría ser que las partículas se crearon en mayor número que las antipartículas.
Pero las antipartículas no solo se creearon en el Big-Bang. En el universo actual se producen antipartículas en casi todos los procesos astrofísicos, que por lo general suelen ser muy energéticos.
En las zonas próximas a los pulsars, que son estrellas de neutrones que giran a gran velocidad generando fuertes campos magnéticos, se crean también enormes cantidades de pares de electrones y positrones. Otras fuentes de creación de antipartículas son las cascadas de rayos cósmicos.
Cuando una partícula que llega del exterior choca con suficiente energía con un átomo de la atmósfera terrestre, se poduce una cascada de creación y aniquilación de partículas y antipartículas como la que se muestra en la figura 1.
El 98% de las partículas que llegan del exterior y generan estas cascadas son protones y partículas alfa (núcleos de helio con dos protones y dos neutrones), el resto de casos son electrones y núcleos atómicos, y, en raras ocasiones, positrones y antiprotones.
Todo esto se estudia con detectores que se instalan en satélites, en globos o en la Estación Espacial Internacional. Algunas de estas partículas y antipartículas pueden escaparse y otras pueden llegar a la superficie de la Tierra.
Estos procesos naturales no son las únicas fuentes de creación de antipartículas. También pueden crearse en los aceleradores de partículas, entre los que destacan el citado del Fermilab, y el acelerador de laboratorio CERN.
En estos centros se aceleran haces de partículas utilizando campos eléctricos. Estos haces se confinan mediante campos magnéticos y se hacen colisionar entre ellos o con un blanco metálico. En estas colisiones se crean tantas partículas como antipartículas.
Simetría de cruce y aniquilación
La simetría de cruce es un principio según el cual se pueden generar nuevos procesos, teóricamente equivalentes a uno ya conocido, sustituyendo una partícula por su antipartícula y trasladándola al lado opuesto de la ecuación de reacción.
Se trata de una simetría fundamental en la física de partículas. La dispersión Compton y la aniquilación electrón-positrón están relacionadas por esta simetría.
La dispersión Compton es un proceso bien conocido y fácilmente reproducible en laboratorio:
$$\gamma + e^- \rightarrow \gamma + e^- $$
Un fotón ($\gamma$) incide sobre un electrón libre, se dispersa (cambiando su dirección y su longitud de onda) y el electrón resulta desviado. Este es el ejemplo paradigmático de dispersión: partícula + partícula $\;\to\;$ partícula + partícula.
Aplicando la simetría de cruce, se puede transformar en otro proceso equivalente. Primero, trasladamos el fotón inicial al lado derecho, reemplazándolo por su antipartícula -que en este caso sigue siendo un fotón, pues es una partícula autoconjugada-:
$$ e^- \rightarrow \gamma + \gamma + e^- $$
A continuación, movemos el electrón final $ e^- $ al lado izquierdo y lo sustituimos por su antipartícula, el positrón $ e^+ $:
$$ e^- + e^+ \rightarrow \gamma + \gamma $$
Este es el proceso de aniquilación electrón-positrón, igualmente real y confirmado experimentalmente. En otras palabras, la simetría de cruce muestra que, desde el punto de vista matemático, ambas reacciones son manifestaciones distintas de la misma dinámica cuántica subyacente.
Aunque las dos reacciones están vinculadas matemáticamente, no son físicamente idénticas. La dispersión Compton ($\gamma + e^- \rightarrow \gamma + e^-$) se produce cuando los fotones se dispersan en electrones libres de un gas o de un metal, mientras que la aniquilación ($e^- + e^+ \rightarrow \gamma + \gamma$) ocurre cuando electrones y positrones se encuentran y se destruyen mutuamente.
La simetría se aplica a la estructura teórica, no a las condiciones experimentales.
Partículas autoconjugadas
Algunas partículas coinciden con sus propias antipartículas. Estas se denominan partículas autoconjugadas.
Una partícula es autoconjugada cuando resulta indistinguible de su antipartícula; es decir, cuando su carga eléctrica y todas las demás cargas aditivas son nulas.
| Partícula | ¿Autoconjugada? | Observaciones |
|---|---|---|
| Fotón $\gamma$ | Sí | Carece de carga |
| Bosón $Z^0$ | Sí | Neutro |
| Mesón $\pi^0$ | Sí | Pión neutro |
| Gluones | Sí / No | Depende de la configuración |
Todas las partículas, como los electrones, los muones, los neutrinos, o los quarks, tienen su correspondientes antipartículas, excepto el fotón y el bosón de Higgs, que al no tener ninguna propiedad que pueda cambiarse son sus propias antipartículas.
En el caso de los neutrinos, todavía se desconoce si son neutrinos de Dirac (con antipartículas diferenciadas) o neutrinos de Majorana (autoconjugados). Esta cuestión sigue abierta en la física de partículas.
El tamaño del protón y la distribución de su carga
El protón es una partícula con carga eléctrica positiva y de un tamaño del orden de fentómetros (1 fm = $10^{-15}$ m), diminuta pero no puntual, ya que tiene estructura interna. Y precisamente una estructura interna muy compleja que, de momento, no acabamos de comprender.
Hace más de un siglo de eso pero medir el tamaño de una partícula sigue siendo complicado porque no es como medir el tamaño de un objeto macroscópico.
Cuando hablamos de radio del protón nos referimos, en realidad, a su radio de carga, que es el radio de la esfera por la que se distribuye su carga eléctrica, porque la carga se distribuye aproximadamente en una zona con forma de esfera. Luego es este radio de carga lo que medimos en los experimentos.
El Committee on Data for Science and Technology (CODATA) tiene un grupo de trabajo en constantes fundamentales que publica cada varios años tablas para uso mundial de valores de constantes físicas y factores de conversión.
El último valor aceptado por ellos para el radio del protón, publicado en 2010, es 0.8775(51) fm. Este valor está calculado a partir de experimentos de espectroscopía con hidrógeno electrónico (que es el átomo formado por un protón y un electrón), y experimentos de dispersión de electrones por hidrógeno.
El rompecabezas del radio del protón
Pero se han hecho también experimentos para calcular el radio del protón con hidrógeno muónico, que es un átomo formado por un protón y un muón, y se han obtenido resultados muy diferentes.
El muón es una partícula casi idéntica al electrón (ambos son leptones), con la misma carga eléctrica pero diferente masa. En concreto, la masa del muón es 207 veces mayor que la del electrón.
Los átomos muónicos son una clase especial de átomos exóticos que nos dan acceso a propiedades nucleares con mucha mayor precisión que los átomos electrónicos.
El muón se encuentra mucho más cerca del protón por ser más pesado y esto, a su vez, hace que pase más tiempo dentro del protón (por hacernos una idea, ocho millones de veces más tiempo) por lo que el desplazamiento de Lamb es mayor y más fácil de medir experimentalmente.
Así que cuando hacemos los experimentos con hidrógeno muónico obtenemos datos más precisos. Este último tiene un valor de 0.84087(39) fm. Es un valor mucho más preciso que el del radio de carga del hidrógeno electrónico y un 4% distinto.
La diferencia supera en más de cinco veces la incertidumbre de la medida y esto supone un problema. De hecho, junto a estos dos datos aparece un asterisco que nos remite al siguiente comentario: "The $\mu$p and ep values for the charge radius are much too different to the average them. The disagreement is not yet understood".
Desde que en 2010 salió a la luz este rompecabezas se han propuesto soluciones de varios tipos. En primer lugar, que el experimento estuviera mal realizado. Cuando en un experimento no salen los resultados esperados es lógico comprobar si se ha hecho algo mal y como consecuencia de esto los valores obtenidos no sean correctos. Así que la primera propuesta, descartada actualmente, fue esa.
Los físicos también pensaron que el resultado se podría explicar si el valor aceptado para la constante de Rydberg estuviese mal. Esta constante aparece cuando deducimos teóricamente los niveles de energía en el átomo de hidrógeno.
Ahora mismo, que la constante de Rydberg esté mal, es una posibilidad que no está descartada. Si calculamos la constante tomando como radio del protón el valor más pequeño que nos proporciona la espectroscopía de hidrógeno muónico y la usamos para reinterpretar las medidas realizadas con hidrógeno electrónico tanto por espectroscopía como por dispersión, se podría llegar a una solución.
Pero también podría ocurrir que los cálculos de la electrodinámica cuántica no fuesen exactos. Esta teoría describe la interacción entre luz y materia, se conoce también por sus siglas en inglés, QED, y es una teoría física muy bien entendida que predice el resultado de los experimentos con muchísima precisión.
Entonces no parece que la solución venga por aquí, aunque que la QED no explique la discrepancia sugiere que sí podría necesitar alguna corrección.
Hay propuestas más osadas que las anteriores. Por ejemplo, que existan otras interacciones desconocidas hasta ahora. La interacción entre el electrón y el protón no sería la misma que la del muón y el protón y esto explicaría la discrepancia en los resultados.
Pero implicaría la violación de leyes físicas y supondría que hay física más allá del modelo estandar. No es la opción más simple, desde luego.
Y para ir descartando posibilidades no hay otra opción que realizar experimentos que arrojen luz a la cuestión. Recientemente se han publicado resultados de espectroscopía con deuterio muónico, y son compatibles con los resultados del hidrógeno muónico.
También están previstos experimentos de dispersión elástica muón-protón, ya que los realizados hasta ahora se llevaban a cabo con electrones. Una mejora en la precisión de los experimentos de dispersión de electrones también ayudaría a despejar dudas.
Y descartar la presencia de errores sistemáticos en este tipo de experimentos es igualmente importante.
Aplicaciones de las propiedades del protón
Los protones tienen un spin intrínseco. Esta propiedad se aprovecha en la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN).
En esta técnica, a una sustancia se le aplica un campo magnético para detectar la corteza alrededor de los protones en los núcleos de esta sustancia, que proporcionan las nubes de electrones colindantes. Puede usarse posteriormente esta información para reconstruir la estructura molecular de una molécula bajo estudio; éste sigue siendo llamado un protón en cualquier tipo de enlace que se quiera establecer.
Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y por tanto un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión.
En física nuclear, el protón se emplea como proyectil en grandes aceleradores para bombardear núcleos con el fin de producir partículas fundamentales (véase Acelerador de partículas).
Como ion del hidrógeno, el protón desempeña un papel importante en la química (véase Ácido, Base (química), Ionización).
También puede recordarse que existen sustancias que emiten positrones como son algunos isótopos del sodio y el potasio. Por eso, un plátano, que contiene mucho potasio, puede emitir del orden de 15 positrones al día.
Proton–Antiproton Matter-Antimatter Annihilation Visualization
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