Nova medição mostra próton cada vez menor e desafia física

Nova medição mostra próton cada vez menor e desafia física

Este é o esquema do experimento usado para medir o núcleo do átomo de hidrogênio.[Imagem: Antognini et al./Science]

É mais complicado que parecia

Para alguns físicos que afirmam já saber tudo o que há para se saber sobre a matéria, as últimas notícias são desconcertantes.

Em 2010, uma equipe alemã descobriu que o próton era menor do que os modelos atômicos exigem, questionando um elemento fundamental das teorias.

O assunto, considerado uma “discrepância muito grave”, provocou debates acirrados e conferências internacionais nestes três últimos anos, em busca de uma explicação que pudesse salvar as teorias.

A maior esperança era que fosse possível encontrar erros nas medições – uma esperança que agora se esvaiu definitivamente.

Na verdade, a discrepância se acentuou, já que uma nova medição ainda mais precisa mostrou que o próton é ainda menor do que o experimento anterior mostrou.

Tamanho “teórico” do próton

Ao longo dos anos, os cientistas têm usado elétrons para medir o tamanho do próton em um átomo de hidrogênio, o laboratório mais simples possível, já que o átomo de hidrogênio é formado por um único elétron e um único próton.

 A mecânica quântica estabelece que o elétron pode circundar o próton a distâncias discretas bem determinadas, correspondentes a diferentes níveis de energia. Quando salta de um nível para outro, o elétron absorve ou libera um fóton, e a energia desse fóton mostra a distância que o elétron está do próton.

De posse dessa medição, uma teoria chamada eletrodinâmica quântica permite calcular qual deve ser o diâmetro do próton para manter o elétron a essa distância precisa.

Essa técnica afirma que o próton tem um raio de 0,877 femtômetro, menos de um trilionésimo de milímetro.

Nova medição mostra próton cada vez menor e desafia física

Este é pequeno acelerador que gera os múons usados na medição do diâmetro do próton. [Imagem: MPQ/MPG]

O próton é menor

Tudo estava bem, até que, no experimento de 2010, Randolf Pohl e seus colegas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, substituíram o elétron por um múon, uma partícula de carga igualmente negativa, como o elétron, mas com uma massa 200 vezes maior.

Sendo maior e mais pesado, o múon deveria resultar em medições várias ordens de grandeza mais precisas.

O problema é que o resultado não apenas acrescentou mais números depois da vírgula, ele os modificou, concluindo que o próton mede 0,8418 femtômetro.

Pode parecer pouco, mas a diferença é astronômica no campo da física das partículas, que exige precisões na faixa dos bilionésimos.

O próton é ainda menor

Depois de muitas discussões, muitas sugestões e vários aprimoramentos nos equipamentos de medição, a equipe alemã sentiu-se pronta para repetir o experimento, o que acaba de ser realizado.

Para quase desespero geral, o resultado foi ainda menor: o próton revelou-se com um diâmetro de 0,8407 femtômetro.

“Os novos resultados alimentam o debate se as discrepâncias observadas podem ser explicadas pelo modelo padrão da física, por exemplo como uma compreensão incompleta dos erros sistemáticos que são inerentes a todas as medições, ou se eles se devem a uma nova física,” afirmam os pesquisadores.

Uma “nova física” é o que todos esperavam do LHC, que, por enquanto, parece ter-se contentado com seu “bóson tipo Higgs”

Ela poderia estar surgindo agora porque uma das possíveis explicações para o novo diâmetro do próton é que os múons não interagiriam com os prótons da mesma forma que os elétrons.

Em outras palavras, o raio do próton se alteraria dependendo da partícula com a qual ele está interagindo.

Como na física das partículas tudo depende delas, das partículas, isso denunciaria a existência de partículas desconhecidas, que seriam responsáveis pela interação dos múons com os prótons.

Eventualmente, alguma partícula candidata a explicar o que seria a matéria escura, a desconhecida substância cuja massa geraria a gravidade suficiente para explicar porque as galáxias não se desmancham ao girar na velocidade que giram – a gravidade da matéria conhecida não é suficiente para explicar como as galáxias continuam coesas.

 Bibliografia:

Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
Aldo Antognini, François Nez, Karsten Schuhmann, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Marc Diepold, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Andrea L. Gouvea, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, Franz Kottmann, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, José A. M. Lopes, Livia Ludhova, Cristina M. B. Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel, Paul Rabinowitz, Joaquim M. F. dos Santos, Lukas A. Schaller, Catherine Schwob, David Taqqu, João F. C. A. Veloso, Jan Vogelsang, Randolf Pohl
Science
Vol.: 339 no. 6118 pp. 417-420
DOI: 10.1126/science.1230016
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