El protón, medido con precisión de relojero exprés
El hidrógeno es el átomo más simple: un protón y un electrón. Parecería que no hay nada que estudiar, pero es precisamente en él donde los físicos ponen a prueba las leyes más sutiles del micromundo. El electrón en el átomo puede ocupar distintos niveles de energía, como los peldaños de una escalera. Para saltar al peldaño superior, debe absorber luz de una frecuencia estrictamente definida, como una llave que solo encaja en su cerradura.
Los autores del nuevo trabajo enfriaron un haz de átomos de hidrógeno a temperaturas criogénicas, casi al cero absoluto. Con ese frío, los átomos se mueven lentamente y son más fáciles de "examinar". Luego dirigieron un láser al haz e hicieron que los electrones saltaran del nivel 2S a los niveles superiores 8S, 9S y 10S. La frecuencia de la luz se midió con una precisión enorme: el error fue de solo 2.6×10⁻¹². Si lo traducimos a escalas cotidianas, es como medir la distancia de la Tierra a la Luna con un error del grosor de un cabello humano.
A partir de estas mediciones, los científicos calcularon dos magnitudes fundamentales. La primera es el radio del protón: resultó ser 0.8433 femtómetros (un femtómetro es la millonésima parte de la milmillonésima parte de un metro). La segunda es la frecuencia de Rydberg, una constante fundamental que relaciona todos los niveles de energía en el átomo. Ambos números coincidieron perfectamente con los valores recomendados por CODATA 2022, como si dos relojeros independientes, trabajando en talleres distintos, hubieran creado relojes que marchan al segundo.
Una "cerradura" tan precisa hecha de luz y átomo no solo confirma nuestros conocimientos, sino que prepara el terreno para futuros descubrimientos. Quizás sea en el átomo más simple donde logremos ver las primeras grietas en el modelo estándar, y entonces la escalera de niveles de energía nos conducirá a una nueva física.
Si el protón se agrandara hasta el tamaño de un balón de fútbol, el electrón en el átomo de hidrógeno estaría a unos 10 kilómetros de distancia: así de vacío es el átomo por dentro.
En la novela 'Solaris' de Stanisław Lem, el océano podía manipular estados cuánticos, quizás usando transiciones similares a las que se midieron en este trabajo.