¿Por qué hay una diferencia en el tamaño del protón de aproximadamente un 5% (aproximadamente siete desviaciones estándar) dentro del hidrógeno muónico, en comparación con el hidrógeno?

La respuesta a la pregunta es que no sabemos por qué hay una discrepancia entre las dos mediciones del radio de carga del protón.

Hay tres posibilidades distintas.

1. Hay una nueva física que influye en las interacciones entre el muón y el protón y esto se muestra en esta medición.
2. La nueva medición ha cometido un sutil error al medir el radio de carga del protón con muones.
3. La combinación existente de mediciones que realiza CoDATA tiene mediciones espurias o un error en la combinación estadística.

Para la Posibilidad # 1, es difícil, aunque no totalmente imposible, que la nueva física se esconda a muy bajas energías. Realmente requiere nuevas partículas con masas en el rango de MeV que interactúen fuertemente con el protón y el muón, pero de alguna manera han evadido la detección hasta ahora. No estoy conteniendo la respiración por esta opción.

La posibilidad n. ° 2 es atractiva, porque las nuevas mediciones no se han examinado a fondo. Sin embargo, este método de extracción del radio de carga del protón es, con mucho, el más fácil. Cuando digo más fácil, quiero decir, que el efecto fraccional en la medición real causado por el radio de carga del protón es mucho mayor que otros resultados. Esto significa que no tiene que tener en cuenta casi tantos efectos. Es algo así como tratar de medir el ancho de una moneda con pinzas en lugar de usar un medidor. No es imposible hacerlo con un medidor, pero es mucho más fácil con pinzas. Las técnicas experimentales son definitivamente más novedosas, pero desde mi examen, parecen ser bien entendidas y confiables.

La posibilidad n. ° 3 significaría que se ha cometido un error en experimentos investigados o en la combinación de mediciones. Este tipo de error ocurre muy raramente, pero no carece de precedentes. Una posibilidad es que las barras de error sean demasiado pequeñas. Si las barras de error se eliminan por un factor de 2, entonces el efecto sigma 7 cae a un efecto sigma 3.5, haciendo posible que ambos resultados sean correctos, inmensamente más probables. Los datos que se incluyen en la combinación de CoDATA también son mediciones extremadamente desafiantes. Provienen de múltiples técnicas experimentales, lo que puede dificultar que los científicos a cargo de combinar estas mediciones obtengan el resultado combinado del mundo. Además, el radio de carga de protones se encuentra en el límite entre la física de baja energía y la física de alta energía. No es un parámetro crucial y no alimenta muchas otras predicciones. Esto significa que si hubiera un pequeño error, sería difícil de atrapar.

No tiene precedentes que una cantidad tan básica cambie enormemente, mucho más allá de las barras de error anteriores. El mejor ejemplo es la vida útil de un neutrón libre. En un momento, la mejor medición fue de 900 segundos y luego cambió a 1200 segundos (un cambio de sigma de 10+). No hubo una explicación clara de cómo ocurrió esto.

Finalmente, es posible que la resolución sea un poco de # 2 y un poco de # 3.

Sinceramente, no sé cuál es la respuesta. Solo la repetición independiente de todas las mediciones con mayor precisión conducirá finalmente a la resolución de esta discrepancia.

El muón también tiene un momento magnético anómalo, que está desactivado por 3.4 desviaciones estándar del modelo estándar. (Momento dipolo magnético anómalo). (Más información sobre este rompecabezas en particular aquí: el momento magnético del muón preocupa a los teóricos).

Hay algunas ideas sobre por qué esto podría suceder, la mayoría en torno al hecho de que para las interacciones a pequeña escala, la masa más grande del muón puede permitir que entren en juego partículas virtuales más pesadas de lo normal.

Mi suposición (y es una suposición total) es que los dos están relacionados; ya sea que las partículas virtuales interactúan con los quarks en el hidrógeno, o es solo un factor del cambio en el momento magnético en esta configuración que hace que sucedan cosas interesantes para que se perturben y se les permita configurar en una energía más alta un estado límite de lo normal (y, por lo tanto, un radio mayor) tendrá que esperar hasta que la gente experimental se ponga sus sombreros de física de partículas y empiece a pincharlo con palos.

Mi propia suposición personal? (Advertencia: lo que sigue es mi propia teoría personal con la que he estado jugando durante mucho tiempo. Huele a orinal y seré el primero en admitirlo. Puedes dejar de leer ahora si quieres …)

Durante mucho tiempo he sido seguidor de Feynman y Wheeler en este tipo de cosas; Prefiero un modelo geométrico / topológico de partículas sobre puntos y funciones de onda, con eventos que se mueven hacia adelante y hacia atrás en el tiempo (la carga de partículas es una propiedad de la dirección en la que se mueve). El trabajo de Wheeler sobre Geons podría explicar esto … Tengo otra corazonada. (Tenga en cuenta que es solo una corazonada, pero es una con la que he estado jugando distraídamente durante un par de décadas).

Imagine dos gargantas abiertas de un agujero de gusano entre dos colectores. La única forma de mantener esto abierto y estable (no se reduce topológicamente a nada) es realizar una media torsión en la tubería entre las dos superficies. Las gargantas se bloquean en los colectores en los que se encuentran, lo que provoca tensión entre los colectores y torsión en el borde de la garganta.

Si observa la torsión como carga y la tensión entre los puntos finales como masa (y por ahora, ignora el otro extremo), ahora tiene un agujero orientable en el espacio-tiempo, con un rizo alrededor. Aún mejor, dos orificios que se mueven libremente tenderán a repeler (para reducir la torsión en el colector), pero si tiene dos con direcciones de torsión de rotación opuestas, se atraerán.

Voltee uno más de 180 grados, y alinéelo con la garganta de otro, y sus torsiones casi se cancelan, formando un estado estable. ¿Se sientan uno encima del otro, ambos girando de la misma manera? Las torsiones se suman. Esto coincide bastante bien con el principio de exclusión de Pauli.

Acelere el agujero, y se estirará a lo largo de la dirección de la aceleración, aplanando la torsión en los lados fuera de la aceleración y aumentando a lo largo de la dirección de la aceleración. Esto comienza a parecerse más bien al magnetismo (como era de esperar).

Un Muon en este modelo tendría 2 o 3 medios giros (sospecho que serían 3, aunque estoy en el límite de mi conocimiento topológico, así que no sé si dos medios giros podrían resolverse en 0 giros )

Los Quarks en un protón sienten que deberían ser similares a los anillos de boromeo; una superficie con tres nudos, cada uno con un medio giro en la conexión entre ellos. La dirección de giro determinaría el color del quark. Voltear los nudos hace que se produzcan volteos equivalentes a los otros dos nudos (algo así como un hexagonal), lo que hace que cambien de color.

Desafortunadamente, en este punto, mi investigación sobre este modelo termina … y no tengo idea de si es verdad (y seré sincero; no sé por dónde empezar con las matemáticas para probar esto y modelarlo) . De cualquier manera, no es inconcebible en un modelo geométrico que diferentes partículas (más pesadas) puedan interactuar con diferentes tipos de partículas de maneras inesperadas; es solo que normalmente no vemos que esto suceda porque nunca antes hemos configurado el experimento de esa manera, y es algo que normalmente no vemos en el día a día. En un modelo geométrico, las partículas interactúan debido a sus construcciones geométricas innatas, por lo que aún puede mantenerse.

* se encoge de hombros * OK, fuera de mi caja de jabón. Casco, listo para el ridículo. Se gentil 🙂

Por el momento, nadie lo sabe. Debe comprender que el “tamaño del protón” no está realmente bien definido: el protón no es una bola dura con una superficie definida. Lo que determinan los experimentos es realmente el radio de la distribución de carga eléctrica, y de alguna manera es “difuso” porque está determinado por el movimiento de los quarks dentro del protón. Los orbitales de muón son mucho más pequeños que los orbitales de electrones, debido a la mayor masa de muón, por lo que la medición muónica puede ser más sensible a los detalles de cómo la distribución de carga “cae” con la distancia desde el centro del protón. Esa sería mi primera suposición. Pero realmente, tenemos que esperar y ver cómo se desarrolla la situación.

En resumen, la respuesta es hacia el final del artículo citado: “La otra … posibilidad es que los muones interactúen con los protones de una manera fundamentalmente diferente a la del electrón …

Las entidades fundamentales, como el protón, no deben considerarse como ‘partículas’ fijas y estáticas; pero, tal vez, estén mejor modelados como antenas interactivas. Cualquier transacción entre dos entidades es una conversación dinámica; las propiedades de cada uno individualmente, dependiendo de las propiedades de propagación de ambas (todas) antenas involucradas en la transacción. Las propiedades físicas medibles, como el radio magnético y de carga de una de las entidades, no son constantes fijas, sino que dependen de las propiedades de toda la disposición.

Como analogía, piense en un enlace inalámbrico; Las propiedades del enlace dependen de las propiedades del transmisor y del receptor. Del mismo modo, el patrón de ganancia de cada antena depende de la disposición de todos los elementos en la matriz. Esto puede reconocerse en la similitud entre la forma y la forma de los orbitales de electrones y las gráficas de ganancia de antena. Algunos buenos ejemplos aquí:
Antenas Amos

(Esta es mi perspectiva personal; y no es compatible en un sentido estrictamente técnico con la doctrina actualmente reconocida).

El problema

Los investigadores comenzaron con un objetivo de hidrógeno, un átomo que consta de un protón y un electrón. Cuando bombardeaban el hidrógeno con muones (primos más pesados ​​de electrones) desde un acelerador de partículas, un muón ocasionalmente reemplazaría a un electrón. Al sondear el hidrógeno muónico con un láser se obtuvo una medición de alta precisión del tamaño del protón. El problema es que la medición difiere de las obtenidas por otros dos métodos en un 4%, o 0.03 femtómetros (fm). Esa es una pequeña cantidad, 1 fm es 0.000000000001 milímetro, pero aún es significativamente más grande que las barras de error en cualquiera de las otras mediciones.

La solución

Como instinto natural, cuando surgen resultados contradictorios, los físicos se apresuran a hacer sus cálculos y verifican cuádruplemente las soluciones. Sin embargo, es muy difícil determinar el error (si lo hay). Podría haber un problema con los modelos utilizados para estimar el tamaño del protón a partir de las mediciones, pero hasta ahora, ninguno ha sido identificado.

Una posibilidad de este fenómeno es que el equipo que descubrió el ligero cambio descubrió una nueva rama de la física. Este equipo es el único que usa muones para bombardear el protón, es decir, otros grupos usan electrones, y existe la posibilidad de que los muones interactúen de manera diferente con los protones que con los electrones. Puede ser difícil imaginar que la pequeña diferencia entre muones y electrones causaría tal cambio, pero esta es una teoría posible para los resultados sobresalientes descubiertos por el experimento.

Recuerde, el llamado tamaño de un protón es una definición muy ambigua. No es un simple bloque de masa con una superficie fácil de definir. Otra posibilidad, por lo tanto, podría ser que los orbitales muónicos sean más pequeños que los de los electrones, por lo que la medición muónica podría ser más sensible a la asignación de carga en comparación con el centro protónico.

Han surgido muchas teorías para combatir estos detalles conflictivos, y aunque los físicos tienen sus dudas, solo el tiempo dirá el resultado final de la masa real de un protón.

Me abstendré de hacer comentarios especulativos sobre por qué existe esta discrepancia de siete sigma porque no sé suficiente física para hacer eso. Sin embargo, intentaré argumentar por qué el hecho de que exista una discrepancia, por cualquier razón, no debería ser demasiado sorprendente.

Toda la idea de asignar partículas compuestas de un tamaño “absoluto” está llena de dificultades porque las partículas no son las bolas de billar duras y bien definidas que nos son familiares de la experiencia cotidiana. Este punto ya ha sido cubierto por algunas de las otras respuestas, pero vale la pena reiterarlo. Para ilustrar algunas de las dificultades que surgen al definir el tamaño, permítanme plantear la pregunta que Benoit Mandelbrot había preguntado: “¿Cuál es la longitud de la costa de Gran Bretaña?”

Si alguna vez te has divertido con la construcción de curvas fractales como el copo de nieve de Koch, verás que la respuesta depende de cuál sea el poder de resolución de tu criterio. A medida que aumente la resolución, que es básicamente equivalente a hacer que el criterio sea más pequeño, se encontrará midiendo las distancias alrededor de las costas irregulares, rocas, guijarros, granos individuales de arena, etc., hasta los átomos y más allá . Y en cada etapa encontrarás que la longitud crece por márgenes astronómicamente enormes hasta el infinito. Por supuesto, la longitud de la costa británica medida por un criterio con resolución atómica será completamente inútil para un arrastrero empeñado en circunvalar Gran Bretaña: la longitud de la costa, lo que sea que eso signifique, se especifica mejor en un caso. según el caso dependiendo de la tarea en cuestión.

En un espíritu similar, diría que no tiene sentido hablar de tamaños de partículas en un sentido absoluto. En el mejor de los casos, podemos hablar de escalas de longitud características más allá de las cuales la “composición” de la partícula no tiene una influencia significativa en el experimento en cuestión. Por lo tanto, no debería sorprendernos que esta escala de longitud característica asociada con un protón sea diferente para los experimentos de dispersión tradicionales y las mediciones que involucran el s-orbital en el hidrógeno muónico. Tenga en cuenta que no estoy diciendo que explorar cómo surge esta diferencia no nos llevará a descubrir algunas nuevas físicas interesantes, creo que podría muy bien. Todo lo que digo es que no hay razón para que creamos o tomemos como el status quo que la escala de longitud debería ser la misma en todos los experimentos.

Para agregar a la excelente respuesta de Jerzy, solo quiero agregar puntos acoplados.

Es un problema difícil de resolver analíticamente. Incluso con tantas simplificaciones como sea posible, las ecuaciones que lo modelan no tienen una solución analítica conocida. La razón es que, dado que los muones son mucho más pesados ​​que los electrones, la aproximación habitual que hacemos (que consiste en decir que el protón no se mueve en comparación con el electrón) no funciona. Así que ahora que tienes en cuenta el movimiento del protón, las cosas se ensucian muy rápido.

Suponiendo que el experimento sea correcto, está sucediendo algo que no esperamos. Dicho en los términos más vagos, lo que está sucediendo es que se intercambian algunos portadores de fuerza en los que no hemos pensado.

Mi explicación favorita (aunque no soy especialista) es que se puede intercambiar un fotón virtual con el protón que lo polariza.
El que no creo que la mayoría de la gente ponga en una moneda es que podría haber un nuevo portador de fuerza en juego aquí.

PS1: Estaba leyendo este documento (1) y me gusta cómo dicen que una de sus hipótesis (que el cambio de Lamb podría tener un término faltante) no es probable debido a cuántos físicos han estudiado el problema y luego continúan diciendo que es más probable que al modelo estándar le falte algo 🙂
(1) http://arxiv.org/pdf/1301.0905v1 …

Como otros han señalado, el protón no es sólido. El protón en realidad está compuesto de quarks y gluones, así como una gran cantidad de partículas virtuales (que puede considerarse como ondas causadas por la presencia de quarks y gluones, algo así como la estela de un barco).

De hecho, no sabemos qué forma tiene el protón: no sabemos la distribución de los quarks, gluones y partículas virtuales dentro del protón, por lo que no sabemos la forma o, realmente, el tamaño.

Especulando violentamente, sospecho que la respuesta a su pregunta es que la masa extra y la órbita cercana del muón afectan la distribución de partículas virtuales en el protón, específicamente, la proximidad cercana del muón hace que el protón se aplaste un poco en el muón. lado. Si promedia este efecto sobre todas las orientaciones, terminará con un protón que parece haberse reducido en un pequeño porcentaje.

Me pidieron que respondiera esto; está bastante lejos de mi campo de experiencia, pero lo intentaré.

Primero, el hecho de que la función de onda de electrones no sea cero dentro del protón no es sorprendente ni importante. El electrón y los quarks que forman el protón solo interactúan a través de las fuerzas electromagnéticas y débiles. La interacción débil es insignificante para todos excepto para los núcleos pesados ​​y el electromagnético es de largo alcance, por lo que el electrón no siente nada diferente de estar dentro del protón frente al exterior, lo que significa que no tiene una fuerza para ‘mantenerlo afuera’ como tenemos con objetos clasicos. Ni el electrón ni el protón son sólidos como los objetos clásicos.

En cuanto al resultado en sí, lo más probable es que se deba a algún error sistemático. Sé que esa es la respuesta más aburrida que existe; pero, como lo han indicado las otras respuestas, no hay una manera fácil para que el muón haga el protón más pequeño sin tener un efecto en otro lugar que ya habríamos visto. Necesitaríamos mucha más evidencia experimental para incluso tener una idea de lo que estaba sucediendo si este resultado fuera correcto.

Dudo que pueda mejorar las excelentes respuestas ya dadas, pero solo agregaré que la física experimental, especialmente a ese nivel, es increíblemente difícil y a menudo indirecta. A menudo tenemos que hacer inferencias sobre ciertas cantidades basadas en medidas indirectas. Dicho esto, generalmente me gusta retener el juicio hasta que haya algún tipo de seguimiento corroborante.

Es probable que sea un error con el experimento, ya que una interacción fuerte como un cambio de tamaño de protones se habría notado antes. Sin embargo, también podría ser una propiedad del muón, por ejemplo, su masa más grande, que está sacudiendo las medidas de tamaño. La verdadera respuesta es que se necesita más experimentación.

Mi mejor pensamiento sería que, dado que el muón tiene una probabilidad mucho mayor de estar ubicado en o extremadamente cerca del protón, tal vez este efecto se deba a nuestra comprensión incompleta de la fuerza fuerte. Quizás el muón interactúa con los quarks de una manera desconocida / no calculada que cambia su comportamiento directamente a través de E&M o de manera más intrigante, pero mucho menos probable a través de la fuerza misma.

Si el muón es 200 veces más pesado que el electrón, ¿no es su densidad de carga menor que el electrón? ¿Qué significa que la densidad de fuerza electromagnética es más baja y conduce a un tamaño de protón más pequeño?