O próton é menor que o esperado

Nova medição confirma discrepância no valor padrão para o raio do próton

O próton é aparentemente menor do que os padrões oficiais indicados anteriormente. © NPO / thinktock
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Desvio confirmado: um dos elementos básicos da matéria é menor do que se pensava anteriormente - o próton. Novas medições no hidrogênio mostraram que o raio do próton deve ser de quatro a cinco por cento menor que o valor padrão oficial. Isso confirma discrepâncias semelhantes em medições anteriores e sugere que algumas constantes físicas da natureza precisam ser corrigidas, conforme relatam os pesquisadores da revista Science.

O próton é um dos blocos de construção fundamentais da matéria, porque juntamente com o nêutron forma o núcleo do átomo. Ao mesmo tempo, constantes naturais importantes são baseadas no próton, incluindo a constante de Rydberg. Com ele, por exemplo, linhas espectrais podem ser atribuídas a elementos específicos. Portanto, é importante saber exatamente a massa e o diâmetro do próton.

Discrepâncias enigmáticas

Mas é aí que reside o problema: nos últimos anos, várias medições levantaram dúvidas sobre os valores oficiais do próton. Em 2010, os físicos usaram espectroscopia a laser de um composto próton-múon para encontrar um raio de prótons que era cerca de quatro por cento abaixo do padrão de 0, 8768 femtômetro.

"Como o múon é 200 vezes mais pesado que o elétron, está muito mais próximo do próton e 'literalmente sente sua expansão' ', explica o líder do projeto Randolf Pohl, da Universidade de Mainz. “Isso resulta na alta precisão com a qual conseguimos determinar o raio do próton.” Em 2016, uma medição com núcleos de deutério mais múon também mostrou valores menores para o raio do próton. E no início de 2017, os pesquisadores finalmente determinaram desvios do valor padrão para a massa.

Re-medição em hidrogênio

Mas quão confiáveis ​​são essas medidas? O valor padrão oficial precisa ser alterado? Para responder a essa pergunta, ainda estava pendente uma medida decisiva: a determinação do raio do próton no átomo de hidrogênio "normal" - sem troca do elétron pelo múon pesado. Axel Beyer, do Instituto Max Planck de Quantum Optics (MPQ) em Garching e seus colegas, agora conseguiu essa medida. display

Esta fotografia mostra o aparelho de vácuo usado para medir a frequência de transição 2S-4P em hidrogênio atômico. O MPI para óptica quântica

Para seu experimento, os pesquisadores analisaram as linhas espectrais que surgem em duas transições de energia diferentes do átomo de hidrogênio - essa duplicação é necessária para tornar os valores confiáveis. A primeira medição foi realizada em 2011 na chamada transição 1S-2S. Nesse caso, o elétron retorna ao seu estado fundamental após a excitação, produzindo uma linha espectral fina e particularmente nítida.

Raio menor confirmado

No experimento atual, Beyer e seus colegas analisaram a transição 2S-4P, uma mudança entre dois estados excitados. Para esse fim, eles irradiaram os átomos de hidrogênio resfriados a alguns graus acima do zero absoluto com um laser de comprimento de onda de 468 nanômetros. Quando os átomos excitados desse modo no nível 4P retornam ao estado 2S inferior, eles emitem fótons cujo conteúdo energético permite conclusões sobre o tamanho do próton.

O resultado: as duas medições espectrais confirmam que o próton pode ser menor do que se pensava anteriormente. Para os valores do raio de prótons de até cinco por cento abaixo do valor padrão, também resulta para o hidrogênio usual: Beyer e seus colegas atualmente alcançam 0, 8335 femtômetros em vez dos 0 anteriormente válidos., 8768 Femtômetro. "Isso corresponde a uma diferença de 3, 3 desvios padrão dos dados mundiais de hidrogênio", explica o líder do projeto Thomas Udem, do MPQ.

Os valores padrão foram alterados?

Além disso: "Nossa medição é quase tão precisa quanto todas as outras experiências anteriores sobre hidrogênio regular tomadas em conjunto", diz Udem. Ele e seus colegas também analisaram seus dados por três anos para descartar erros e erros de medição. As indicações para um próton menor se multiplicam consideravelmente. Os físicos enfatizam, no entanto, que medidas adicionais - mesmo com outros métodos - precisam ser seguidas, para estarem do lado seguro.

Mas, mesmo agora, o Comitê de Dados para Ciência e Tecnologia (CODATA) ficou tonto. É o organismo oficial que define os valores padrão para constantes físicas. "Vamos levar esse resultado muito a sério", diz Krzysztof Pachucki, membro do CODATA. Ele considera bastante provável que o valor oficial do raio de prótons e da constante de Rydberg seja alterado quando a próxima revisão estiver pendente já será o caso em 2018. (Science, 2017; doi: 10.1126 / science.aah6677)

(Ciência, Instituto Max Planck de Ótica Quântica, notícias da natureza, 09.10.2017 - NPO)