Quebra-cabeça do raio do próton finalmente resolvido no hidrogénio

Livros didáticos de física atribuíram ao próton um raio bem definido. Laboratórios independentes em vários países repetiam medições e chegavam sempre ao mesmo valor, e por isso os físicos deixaram de perder tempo com o assunto.

O tamanho do próton parecia resolvido.

Só que, em 2010, um laboratório na Alemanha trocou o eletrão de um átomo de hidrogénio por uma partícula mais pesada e obteve um próton quase 4% menor.

Esse resultado desencadeou 15 anos de discordância que ninguém conseguia encerrar por completo.

Onde o quebra-cabeça começou

A equipa responsável pelo experimento de 2010 criou um tipo especial de átomo de hidrogénio, substituindo o eletrão habitual por uma partícula muito mais pesada chamada múon.

A leitura apontou um raio do próton cerca de 4% inferior ao valor aceite - uma diferença grande o suficiente para abalar a confiança em alguns dos trabalhos mais rigorosos da física.

Assim nasceu o que ficou conhecido como o quebra-cabeça do raio do próton, levando investigadores a procurar ou um erro experimental escondido, ou indícios de forças ou partículas ainda desconhecidas.

O Dr. Lothar Maisenbacher, hoje na University of California, Berkeley (UC Berkeley), liderou um dos esforços mais recentes para destravar essa questão.

Ele e colegas do Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), em Garching, na Alemanha, montaram um sistema com precisão suficiente para separar, de forma inequívoca, os dois valores em disputa.

Lendo um átomo minúsculo

O hidrogénio é o átomo mais simples que existe - um próton e um eletrão, ligados pelas cargas opostas.

Essas duas partículas atraem-se eletricamente, e o tamanho do próton aparece como um fator que altera as energias disponíveis para o eletrão.

A magnitude dessa alteração depende diretamente das dimensões reais do próton.

É aí que entra a estratégia: ao medir com exatidão como os eletrões “saltam” entre níveis de energia no hidrogénio, os físicos conseguem inferir o tamanho do próton.

Para isso, cada nova medição precisa ser mais “limpa” do que a anterior.

O grupo do Dr. Maisenbacher recorreu a lasers cuidadosamente ajustados para estimular eletrões entre dois estados de energia que nunca tinham sido medidos com este nível de precisão.

Essas transições já tinham sido vistas em experiências anteriores, mas não com nitidez suficiente para encerrar o quebra-cabeça.

O número do livro estava errado

Depois de três campanhas de medição e de meses a registar e verificar todas as possíveis fontes de erro, a equipa chegou a um raio do próton de 0.8406 femtómetros - menos de um milionésimo de um bilionésimo de metro.

O valor alcançado é 2.5 vezes mais preciso do que qualquer medição anterior feita com hidrogénio atómico.

Além disso, coincide quase exatamente com o valor menor obtido com hidrogénio muónico e confirma o que um artigo de 2019 já tinha indicado: o número antigo, repetido em livros, estava incorreto.

Dylan Yost, físico da Colorado State University (CSU), liderou uma segunda equipa que executou um experimento complementar e chegou ao mesmo resultado.

Dois resultados idênticos, vindos de experiências independentes, tornam muito improvável que a discrepância seja causada por um erro específico de um único instrumento.

O desafio de estudar o hidrogénio

À primeira vista, estas experiências parecem simples - uma câmara de vácuo, lasers e uma pequena nuvem de átomos de hidrogénio arrefecida para perto do zero absoluto. Por trás dessa aparência, há uma dificuldade implacável.

Os átomos de hidrogénio exigem um vácuo quase perfeito, e os lasers precisam de uma calibração tão rigorosa que pequenas mudanças no ambiente conseguem contaminar os dados.

Recolher os números brutos pode demorar algumas semanas. Já catalogar, testar e eliminar todas as fontes possíveis de erro pode consumir anos.

Cada laboratório usa uma montagem suficientemente singular, o que torna difícil apontar uma causa específica quando há divergências entre resultados.

Paradoxalmente, essa mesma dificuldade vira vantagem quando as medições concordam: qualquer peculiaridade exclusiva de um instrumento dificilmente apareceria em duas montagens independentes.

A testar o livro de regras

Com o tamanho do próton finalmente fixado, a equipa avançou mais um passo.

Os especialistas confrontaram a medição com o Modelo Padrão - o conjunto de equações mais abrangente da física para descrever o comportamento de partículas e forças. A concordância foi de 0.7 partes por trilião.

Uma correspondência em cerca de um trilião. Este patamar de precisão costuma ser associado a relógios atómicos - e representa uma das verificações mais exigentes já feitas sobre como luz e matéria interagem no nível mais fundamental.

E tudo bateu. Não apareceu qualquer sinal de forças desconhecidas, nem partículas exóticas a denunciar-se através do comportamento do eletrão.

O “manual” atual resistiu a um escrutínio extraordinariamente pesado.

Uma nova busca começa

O resultado pode soar como uma porta fechada, mas Yost interpreta de outro modo.

Com o raio do próton estabelecido com segurança, os investigadores podem usar as mesmas experiências com hidrogénio para impor limites mais estritos ao tipo de “nova física” que ainda poderia estar escondida.

Grandes aceleradores, como o Grande Colisor de Hádrons na Suíça, foram construídos para colidir partículas e gerar novas partículas pesadas.

Já as experiências de bancada com hidrogénio são sensíveis a outro tipo de alvo - partículas extremamente leves que grandes colisores não conseguem detetar com facilidade.

Com a questão do próton resolvida, essas montagens de bancada tornam-se uma ferramenta viável para buscas em física de partículas.

O equipamento já existia. O que faltava era certeza sobre o “fundo” do problema.

Implicações mais amplas do estudo

Pela primeira vez, os físicos têm um raio do próton em que podem realmente apostar a própria reputação.

O valor obtido com hidrogénio atómico e o valor medido com hidrogénio muónico finalmente convergem, com precisão suficiente para que a discordância de 15 anos deixe de ter vida científica.

Com isso, uma pergunta antiga fica resolvida. Agora, as mesmas técnicas podem ser direcionadas à procura de partículas ou forças para além do Modelo Padrão, com o hidrogénio a funcionar como um detetor sensível - e não como uma fonte de incerteza.

Outras equipas que trabalham com deutério e com transições semelhantes também devem beneficiar dos métodos desenvolvidos por este grupo.

Dentro de alguns anos, a área pode passar de um quebra-cabeça resolvido para novas perguntas sobre física para além do que já é conhecido.