Afinal, a física não está “quebrada”? Estamos perto de resolver o quebra-cabeça do raio de prótons

84

Prolongar / Imagem dos orbitais de elétrons de um átomo de hidrogênio tirados com um microscópio quântico em 2013. Físicos tentam resolver resultados experimentais conflitantes, usando átomos de hidrogênio, no raio do próton há quase uma década.

Físicos da Universidade de York, em Toronto, passaram os últimos oito anos conduzindo meticulosamente um experimento sensível para medir o raio de carga do próton na esperança de resolver valores conflitantes obtidos por vários experimentos semelhantes realizados na última década. Esse enigma foi apelidado de "quebra-cabeça do raio do próton"Os novos resultados, publicados em um novo papel na Science, confirme uma descoberta de 2010 de que o próton é significativamente menor do que os cientistas acreditavam anteriormente.

A maioria das popularizações que discutem a estrutura do átomo depende da modelo Bohr muito difamado, em que elétrons se movem ao redor do núcleo em órbitas circulares. É bom como uma droga de passagem para a física, por assim dizer, mas a mecânica quântica nos dá uma descrição muito mais precisa (embora mais estranha). Os elétrons não estão realmente orbitando o núcleo; elas são tecnicamente ondas que assumem propriedades semelhantes a partículas quando fazemos um experimento para determinar sua posição. Enquanto orbitam um átomo, eles existem em uma superposição de estados, tanto de partículas quanto de ondas, com uma função de onda que abrange todas as probabilidades de sua posição ao mesmo tempo. Uma medição reduzirá a função de onda, fornecendo a posição do elétron. Faça uma série dessas medições e trace as várias posições resultantes, e isso produzirá algo semelhante a um padrão parecido com uma órbita.

A estranheza quântica se estende também ao próton. Tecnicamente, é feito de três quarks carregados unidos pela forte força nuclear. Mas é confuso, como uma nuvem. E como podemos falar sobre o raio de uma nuvem? Os físicos dependem da densidade de carga para fazer isso, semelhante à densidade das moléculas de água em uma nuvem. O raio do próton é a distância na qual a densidade de carga cai abaixo de um determinado limiar de energia. E é possível medir esse raio estudando como o elétron interage com o próton, por meio de experimentos de espalhamento de elétrons ou usando espectroscopia de elétrons ou múons para observar a diferença entre os níveis de energia atômica. (É chamado de "turno de Lamb", em homenagem ao prêmio Nobel Wallis Lamb, que primeiro medido a mudança em 1947.) A imprecisão combinada do elétron e do próton significa que o elétron pode estar em qualquer lugar dentro dessa região – inclusive dentro do próton.

Os átomos de hidrogênio são os núcleos mais simples, com um único próton orbitado por um elétron, então é isso que os físicos usaram em seus experimentos para medir o raio de carga do próton. Por um longo tempo, o valor aceito foi de 876 femtômetros – uma "média mundial" de muitas medições diferentes com barras de erro suficientes para permitir medições futuras.

O líder do grupo Eric Hessels em seu laboratório na Universidade de York. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/09/proton1-640x427.jpg "width =" 640 "height =" 427 " srcset = "https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/09/proton1.jpg 2x
Prolongar / O líder do grupo Eric Hessels em seu laboratório na Universidade de York.

Universidade de York

Foram as medidas de espectroscopia de múon que causaram o problema pela primeira vez em 2010. Para o experimento, os físicos do Instituto Max Planck de Quantum Optics usaram hidrogênio muônico, substituindo o elétron que orbita o núcleo por um múon, o irmão mais pesado (e de vida muito curta) do elétron. Como é quase 200 vezes mais pesado que o elétron, possui um orbital muito menor e, portanto, uma probabilidade muito maior (10 milhões de vezes) de estar dentro do próton. E isso a torna dez milhões de vezes mais sensível como uma técnica de medição, devido à sua maior proximidade com o próton.

Randolf Pohl, um dos físicos que realizou o experimento original de 2010, explicou o conceito subjacente em uma reunião de 2013 da American Physical Society. "Suponha que o próton seja uma bola de carga, com o elétron dançando através do próton" ele disse. "Quando está no centro do próton, é atraído igualmente de todos os lados, com as cargas ao redor, para que não haja atração líquida entre o próton e o múon. Isso muda todo o estado energético. Esse é o efeito que estão olhando com espectroscopia a laser, quando medimos a diferença entre dois níveis de energia: quando o elétron está dentro e fora do próton ".

Os físicos esperavam medir aproximadamente o mesmo raio para o próton das experiências anteriores, apenas com menos incerteza. Teoricamente, não deve haver diferença (exceto massa e tempo de vida) entre o elétron e o múon. Em vez disso, eles mediram um significativamente menor raio de próton de 0,841 femtômetros, 0,00000000000000003 milímetros menor, bem fora das barras de erro estabelecidas. Foi um forte resultado 5-sigma– cinco desvios-padrão do valor obtido por outros métodos.

"Certamente é um argumento bastante forte para o tamanho menor ser o tamanho correto".

Pohl et al. passou anos checando e checando novamente seus dados; portanto, se foi um erro experimental – ou se a teoria subjacente da eletrodinâmica quântica (QED, que descreve como a luz interage com a matéria) foi de algum modo mal aplicada – é significativa. Os teóricos ponderaram se o QED pode precisar ser ajustado para levar em consideração possíveis pequenas diferenças nas propriedades do múon. A possibilidade mais empolgante: isso poderia ser um indício de nova física além do Modelo Padrão. Essa sempre foi a explicação menos provável e, na década seguinte, tornou-se ainda menos provável.

As medições subsequentes de vários grupos foram inconclusivas quanto ao valor maior ou menor estar correto. Por exemplo, em 2013, uma grande equipe internacional realizou experimentos baseados em múons que confirmaram o valor de 2010, produzindo uma medição de 0,84 femtômetros para o raio do próton, com significância estatística de 7 sigma. Outra variação experimental em 2016 envolvia substituir o elétron por um múon em um átomo de deutério – um isótopo mais pesado de hidrogênio, por um nêutron, além de um próton e um elétron. A idéia era que a presença de um nêutron alteraria a maneira como elétrons e múons percebem a carga do próton. Isso também estava alinhado com o resultado de 2010, com uma significância estatística de 7,5 sigma.

No entanto, duas experiências usando hidrogênio regular para medir o raio de prótons produziram resultados mistos: um estudo de 2017 O grupo de Pohl também confirmou o resultado de 2010, enquanto uma medição de 2018 estava de acordo com o valor maior antes do experimento de 2010. Assim, os cientistas da Universidade de York recentemente optaram por fazer uma medição do raio de próton baseada em elétrons, análoga à medição baseada em múons original de 2010, na esperança de aproximar os vários resultados conflitantes de um consenso.

O aparelho de medição da equipe da Universidade de York. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/09/proton2-640x362.jpg "width =" 640 "height =" 362 "srcset =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/09/proton2.jpg 2x
Prolongar / Aparelho de medição da equipe da Universidade de York.

N. Bezginov et al./ Ciência

Enquanto as medições dos múons exigiam grandes aceleradores de partículas para produzir os múons, a equipe da Universidade de York conseguiu realizar um experimento de mesa – embora usando uma mesa bastante grande medindo cerca de quatro metros (13 pés). E eles deliberadamente fizeram uma medida cega para garantir qualquer viés, finalmente revelando o valor que haviam medido ao longo de oito anos, apenas algumas semanas antes de enviar seu artigo para publicação. "A dificuldade é garantir que não sejamos influenciados por algo que possa complicar ou alterar os estados de energia em nossa medição", disse o líder do grupo. Eric Hessels. "Muitos dos oito anos foram gastos com muito cuidado na compreensão de todos os aspectos da medição, para que possamos eliminar cuidadosamente as possibilidades de cometer erros".

O resultado: a medição de 0,833 femtômetros (pouco menos de um bilionésimo de metro) concorda com o valor menor do estudo de 2010. Isso é uma boa notícia para o Modelo Padrão e uma má notícia para quem espera uma nova e empolgante física. "Por ser uma comparação direta, certamente é um argumento muito forte para o tamanho menor ser o tamanho correto", disse Hessels. Atualmente, experimentos adicionais de outros grupos estão em andamento e ele espera que a comunidade converja em consenso, à medida que esses resultados chegarem nos próximos dois anos.

"Fundamentalmente, realmente queremos entender o que são todas as leis da física e, se houver uma discrepância que ninguém possa explicar, existe a possibilidade de que as leis da física não sejam entendidas", disse Hessels, a motivação para realizar tais experimentos. "Se concordarmos em um tamanho menor para o próton, isso se tornará outro elemento básico do que entendemos e nos permitirá usar o átomo de hidrogênio para testar outras coisas: testar a teoria da eletrodinâmica quântica com maior precisão ou testar se há mais alguma coisa além do modelo padrão da física ".

DOI: Ciência, 2019. 10.1126 / science.aau7807 (Sobre os DOIs)

Fonte: Ars Technica