Utilizando el primer método nuevo en medio siglo para medir el tamaño del protón a través de la dispersión de electrones, la colaboración PRad ha producido un nuevo valor para el radio del protón en un experimento realizado en el Centro Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía.

El resultado, publicado recientemente en la revista. Naturaleza, es uno de los más precisos medidos a partir de experimentos de dispersión de electrones. El nuevo valor para el radio de protones que se obtuvo es 0.831 fm, que es más pequeño que el valor de dispersión de electrones anterior de 0.88 fm y está de acuerdo con los resultados recientes de la espectroscopía atómica muónica.

"Estamos contentos de que los años de arduo trabajo de nuestra colaboración lleguen a su fin con un buen resultado que ayudará críticamente a la solución del llamado rompecabezas del radio de protones", dice Ashot Gasparian, profesor de la Universidad Estatal de Carolina del Norte A&T y El portavoz del experimento.

Toda la materia visible en el universo está construida sobre una nube de tres quarks unidos con una fuerte energía de fuerza. El protón ubicuo, que se encuentra en el corazón de cada átomo, ha sido objeto de numerosos estudios y experimentos destinados a revelar sus secretos. Sin embargo, un resultado inesperado de un experimento para medir el tamaño de esta nube, en términos de su radio de carga cuadrática media, ha unido a los físicos atómicos y nucleares en una oleada de actividad para reexaminar esta cantidad básica del protón.

Antes de 2010, las mediciones más precisas del radio del protón provenían de dos métodos experimentales diferentes. En los experimentos de dispersión de electrones, los electrones se disparan a los protones, y el radio de carga del protón está determinado por el cambio en la ruta de los electrones después de que rebotan o se dispersan desde el protón. En las mediciones de espectroscopía atómica, se observan las transiciones entre los niveles de energía por electrones (en forma de fotones que son emitidos por los electrones) a medida que orbitan un núcleo pequeño. Los núcleos que se han observado típicamente incluyen hidrógeno (con un protón) o deuterio (con un protón y un neutrón). Estos dos métodos diferentes arrojaron un radio de aproximadamente 0,88 femtómetros.

En 2010, los físicos atómicos anunciaron resultados de un nuevo método. Midieron la transición entre los niveles de energía de los electrones en órbita alrededor de los átomos de hidrógeno hechos en el laboratorio que reemplazaron un electrón en órbita con un muón, que orbita mucho más cerca del protón y es más sensible al radio de carga del protón. Este resultado arrojó un valor que era 4% más pequeño que antes, a aproximadamente 0,84 femtómetros.

En 2012, una colaboración de científicos liderados por Gasparian se unió en Jefferson Lab para modernizar los métodos de dispersión de electrones con la esperanza de producir una medición novedosa y más precisa del radio de carga del protón. El experimento PRad recibió una programación prioritaria como uno de los primeros experimentos en tomar datos y completar su ejecución después de una actualización de la Instalación del acelerador continuo de haces de electrones, una Instalación del usuario del DOE para la investigación de física nuclear. El experimento tomó datos de dispersión de electrones en el Experimental Hall B de Jefferson Lab en 2016.

"Cuando comenzamos este experimento, la gente buscaba respuestas. Pero para hacer otro experimento de dispersión de electrones y protones, muchos escépticos no creían que pudiéramos hacer nada nuevo", dice Gasparian. "Si quieres crear algo nuevo, tienes que encontrar algunas herramientas nuevas, algún método nuevo. Y lo hicimos, hicimos un experimento que es completamente diferente de otros experimentos de dispersión de electrones".

La colaboración instituyó tres nuevas técnicas para mejorar la precisión de la nueva medición. La primera fue la implementación de un nuevo tipo de sistema de objetivos sin ventanas, que fue financiado por una subvención de Instrumentación de Investigación Principal de la National Science Foundation y fue desarrollado, fabricado y operado en gran parte por el grupo Target de Jefferson Lab.

El objetivo sin ventanas fluyó gas de hidrógeno refrigerado directamente a la corriente de electrones acelerados 1.1 y 2.2 GeV de CEBAF y permitió que los electrones dispersos se movieran casi sin obstáculos hacia los detectores.

"Cuando decimos sin ventanas, estamos diciendo que el tubo está abierto al vacío del acelerador. Lo que parece una ventana, pero en la dispersión de electrones, una ventana es una cubierta metálica en el extremo del tubo, y esos tienen eliminado ", dice Dipangkar Dutta, un portavoz del experimento y profesor de la Universidad Estatal de Mississippi.

"Así que esta es la primera vez que la gente coloca un objetivo de flujo de gas en la línea de luz en Jefferson Lab", dice Haiyan Gao, un portavoz del experimento y profesor Henry Newson en la Universidad de Duke. "El vacío era bueno, de modo que podíamos hacer que el haz de electrones atravesara nuestro objetivo para hacer el experimento, y en realidad tenemos un agujero en la lámina de entrada y otro en la lámina de salida. Esencialmente, el rayo acaba de pasar directamente al hidrógeno gas, sin ver ninguna ventana ".

La siguiente gran diferencia fue el uso de un calorímetro en lugar del espectrómetro magnético utilizado tradicionalmente para detectar electrones dispersos resultantes de los electrones entrantes que golpean los protones o electrones del hidrógeno. El calorímetro híbrido reutilizado HyCal midió las energías y las posiciones de los electrones dispersos, mientras que un nuevo multiplicador de electrones de gas, el detector GEM, también detectó las posiciones de los electrones con una precisión aún mayor.

Los datos de ambos detectores se compararon en tiempo real, lo que permitió a los físicos nucleares clasificar cada evento como una dispersión electrón-electrón o una dispersión electrón-protón. Este nuevo método de clasificación de los eventos permitió a los físicos nucleares normalizar sus datos de dispersión de electrones y protones a datos de dispersión de electrones y electrones, reduciendo en gran medida las incertidumbres experimentales y aumentando la precisión.

La última mejora importante fue la colocación de estos detectores extremadamente cerca en distancia angular desde donde el haz de electrones golpeó el objetivo de hidrógeno. La colaboración pudo reducir esa distancia a menos de un grado.

"En la dispersión de electrones, para extraer el radio, tenemos que ir a un ángulo de dispersión lo más pequeño posible", dice Dutta. "Para obtener el radio de protones, necesitas extrapolar a un ángulo cero, al que no puedes acceder en un experimento. Por lo tanto, cuanto más cerca de cero puedas, mejor".

"La región que exploramos está en un ángulo tan directo y con un cuadrado de transferencia de cuatro momentos tan pequeño que nunca se había alcanzado antes en la dispersión de electrones y protones", agrega Mahbub Khandaker, un portavoz del experimento y profesor en el estado de Idaho Universidad.

Los colaboradores dicen que el resultado es único, porque utilizó una nueva técnica a través de la dispersión de electrones para determinar el radio de carga de protones. Ahora, esperan comparar el resultado con nuevas determinaciones espectroscópicas del radio de protones y las próximas mediciones de dispersión de electrones y muones que se están llevando a cabo en todo el mundo.

Además, este resultado también arroja nueva luz sobre la conjetura de una nueva fuerza de la naturaleza que se propuso cuando apareció por primera vez el rompecabezas del radio de protones.

"Cuando salió el rompecabezas inicial del radio de protones en 2010, había esperanza en la comunidad de que tal vez hayamos encontrado una quinta fuerza de la naturaleza, que esta fuerza actúe de manera diferente entre electrones y muones", dice Dutta. "Pero el experimento PRad parece cerrar la puerta a esa posibilidad".

Dicen que el siguiente paso es considerar realizar más investigaciones utilizando este nuevo método experimental para lograr mediciones de precisión aún mayores sobre este y otros temas relacionados, como el radio del deuterón, el núcleo del deuterio.

"Hay una muy buena posibilidad de que podamos mejorar nuestras mediciones en un factor de dos o tal vez incluso más", dice Gao.

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