How big is Protón?

Un protón es una partícula con carga eléctrica positiva que se encuentra en el núcleo, en el centro de todos los átomos. Mide unos 1.7 femtómetros de diámetro, calculado como el doble de su radio de carga, que es el radio promedio de su carga eléctrica. Un femtómetro es una millonésima de milmillonésima de metro (10⁻¹⁵ metros).

Tamaño

Un protón no tiene una superficie dura. Es una nube de tres partículas más pequeñas llamadas quarks, dos quarks arriba y un quark abajo. Las mantiene unidas la fuerza fuerte, la misma fuerza que une a los protones y los neutrones en un núcleo. El valor recomendado de su radio de carga, que publica el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST), es de 0.84075 femtómetros. Su incertidumbre es de menos del 1%.

Hay dos formas principales de medirlo. Una consiste en lanzar electrones contra protones y registrar cómo rebotan. La otra mide la luz que emiten los átomos de hidrógeno, cuyos niveles de energía se desplazan muy ligeramente porque el protón no es un punto.

Comparaciones de tamaño

Un neutrón, el compañero del protón en el núcleo, mide más o menos lo mismo. Si se miden de la misma forma, según cómo se distribuye su magnetismo, sus radios difieren en menos del 2%.
Un núcleo de helio, formado por dos protones y dos neutrones, mide unos 3.4 femtómetros de diámetro, el doble del ancho de un solo protón.
Un átomo de hidrógeno, que es un protón con un electrón a su alrededor, mide unos 0.1 nanómetros de diámetro, aproximadamente 60,000 veces el ancho de su protón. Un nanómetro es una milmillonésima de metro.
Si un protón se ampliara hasta el tamaño de un balón de básquet, el átomo de hidrógeno a su alrededor mediría unos 15 kilómetros de diámetro.
Unos 60 mil millones de protones puestos en fila, uno junto a otro, cubrirían el grosor de un cabello humano, unos 0.1 milímetros.

El enigma del radio del protón

Antes de 2010, los dos métodos daban un radio de unos 0.88 femtómetros. Ese año, un equipo del Instituto Paul Scherrer, en Suiza, midió átomos de hidrógeno en los que el electrón se había sustituido por un muon. Un muon se parece a un electrón, pero es unas 200 veces más pesado, así que orbita mucho más cerca del protón y es mucho más sensible a su tamaño. El equipo obtuvo 0.84184 femtómetros, un valor alrededor de un 4% menor, y la diferencia era demasiado grande para atribuirla a un error de medición.

Este desacuerdo se conoció en la comunidad de físicos como el enigma del radio del protón, y hubo quien esperaba que fuera una señal de una fuerza desconocida de la naturaleza. En 2019, el experimento PRad del Jefferson Lab, en Virginia, Estados Unidos, dio a conocer un nuevo tipo de medición por dispersión de electrones que obtuvo 0.831 femtómetros, acorde con el valor más pequeño. En 2026, un estudio de precisión del hidrógeno ordinario en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, en Alemania, también coincidió con ese valor, y el equipo que lo realizó considera resuelto el enigma.

Un componente básico de todos los elementos

El número de protones de un núcleo determina de qué elemento es un átomo. Todo átomo con un protón es hidrógeno, y todo átomo con seis es carbono. Un protón tiene 1,836 veces la masa de un electrón, así que los protones y los neutrones del núcleo concentran casi toda la masa de un átomo.