En una colaboración internacional de científicos del Laboratorio de Simetrías Fundamentales (FSL) junto con la Universidad de Gutenberg y el Instituto Max Planck, de física nuclear, así como Eidelberg y GSI Darmstadt, han usado técnicas de alta precisión para hacer las medidas más precisas hasta ahora del momento magnético del protón, encontrando que es de 2.79284734462 con una incertidumbre de 0.00000000082 magnetones nucleares, la unidad típica usada para medir esta propiedad.

Este tipo de mediciones sin duda requieren de mucho tiempo de duro trabajo para lograrla, pues la precisión es mejor que una parte en mil millones. Primero, los investigadores tuvieron que aislar un solo protón, no dos, no tres, en una trampa. Para hacer esto, lo que se hizo fue detectar una señal térmica de iones presos en una trampa y entonces, usar un campo eléctrico para eliminarlos mientras que dejaban uno y sólo uno.

La clave para esta tremenda precisión, sin embargo, fue una combinación de ingeniería extremadamente difícil de lograr, acoplada a la capacidad para poner a un protón entre dos trampas diferentes. El método del grupo para medir directamente el momento magnético de la partícula está basado en el hecho de que el protón en una trampa de Penning se alinea al spin con el campo magnético de la trampa. Este método básico se usa para medir dos frecuencias, conocidas como la frecuencia de Larmor (la precesión del spin) y la frecuencia del ciclotrón del protón ene l campo magnético. Esto puede ser usado para hallar el momento magnético.

La frecuencia del ciclotrón del protón puede medirse usando el teorema de invariancia de Brown-Gabrielse, mientras que la frecuencia de Larmor puede medirse manejando el valor del spin, cuando una frecuencia de radio que calienta la partícula y midiendo la probabilidad de que el spin cambie como una función de la frecuencia.

Un experimento da nueva luz sobre la estructura del protón

Pero a pesar de que esta precisión ya es de por sí notable, puede aún mejorarse usando el método de la doble trampa, en donde la frecuencia del ciclotrón se mide así como las transiciones del spin, las cuales se inducen en la primera trampa. El protón entonces se deposita cuidadosamente en la segunda trampa, donde el estado del spin es detectado usando una botella magnética. La separación de estas medidas de alta precisión en la frecuencia, así como la detección del spin hacen que la medida sea extremadamente precisa.

Para los experimentos realizados, se hicieron un total de 1,264 ciclos, cada uno tomando 90 minutos. Todo el experimento requirió aproximadamente de cuatro meses, incluyendo los chequeos cruzados y el mantenimiento sistemático.

De acuerdo con Georg Schneider, el primer autor del artículo, “moverse hacia adelante en la física de partículas requiere de facilidades de altas energías o de medidas súper precisas. Con nuestro trabajo estamos tomando la segunda ruta, y esperamos en un futuro hacer experimentos similares con los antiprotones usando la misma técnica. Esto nos puede permitir tener un mejor entendimiento de la estructura de la materia”.

De acuerdo con Andreas Mooser, el segundo autor del estudio, “ver hacia adelante usando esta técnica, nos permitirá tomar medidas similares del antiprotón y quizás esto nos dé pistas por las cuales no hay antimateria en el universo”. El trabajo se publicó en Science el 23 de noviembre pasado.

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