Qual é a massa de um próton? Cientistas da Alemanha e do Japão deram um passo importante para entender melhor essa constante fundamental. Por meio de medições de precisão em um único próton, eles foram capazes de melhorar a precisão por um fator de três e também corrigir o valor existente.

Para determinar a massa de um único próton com mais precisão, o grupo de físicos do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg e RIKEN no Japão realizou uma importante medição de alta precisão em um sistema Penning trap bastante avançado, desenhado por Sven Sturm e Klaus Blaum da MPI-K, usando detectores de partícula única ultrassensíveis que foram parcialmente desenvolvidos pelo Laboratório de Simetrias Fundamentais de Ulmer da RIKEN.

O próton é o núcleo do átomo de hidrogênio e um dos blocos básicos de construção de todos os outros núcleos atômicos. Portanto, a massa do próton é um parâmetro importante na física atômica:é um dos fatores que afetam a maneira como os elétrons se movem no núcleo atômico. Isso se reflete no espectro, ou seja, as cores de luz (comprimentos de onda) que os átomos podem absorver e emitir novamente. Ao comparar esses comprimentos de onda com as previsões teóricas, é possível testar teorias físicas fundamentais. Avançar, comparações precisas das massas do próton e do antipróton podem ajudar na busca pela diferença crucial - além do sinal invertido da carga - entre matéria e antimatéria.

As armadilhas de penning são comprovadas como "escalas" adequadas para íons. Em tal armadilha, é possível confinar, quase indefinidamente, partículas carregadas simples, como um próton, por exemplo, por meio de campos elétricos e magnéticos. Dentro da armadilha, a partícula aprisionada executa um movimento periódico característico em uma certa frequência de oscilação. Essa frequência pode ser medida e a massa da partícula calculada a partir dela. Para alcançar a alta precisão desejada, era necessária uma técnica de medição elaborada.

O isótopo de carbono ¹² C com uma massa de 12 unidades de massa atômica é definido como o padrão de massa para átomos. "Nós o usamos diretamente para comparação, "diz Sven Sturm." Primeiro, armazenamos cada um próton e um íon de carbono ( ¹² C ⁶⁺ ) em compartimentos separados de nosso aparelho de armadilha de Penning, em seguida, transportou cada um dos dois íons para o compartimento de medição central e mediu seu movimento. "A partir da proporção dos dois valores medidos, o grupo obteve a massa do próton diretamente em unidades atômicas. O compartimento de medição foi equipado com componentes eletrônicos especificamente desenvolvidos para esse fim. Andreas Mooser, do Laboratório de Simetrias Fundamentais da RIKEN, explica sua função:"Ele nos permitiu medir o próton sob condições idênticas às do íon de carbono, apesar de sua massa 12 vezes menor e carga 6 vezes menor."

A massa resultante do próton, determinado como sendo 1,007276466583 (15) (29) unidades de massa atômica, é três vezes mais preciso do que o valor atualmente aceito. Os números entre parênteses referem-se às incertezas estatísticas e sistemáticas, respectivamente.

Curiosamente, o novo valor é significativamente menor do que o valor padrão atual. As medições de outros autores produziram discrepâncias em relação à massa do átomo de trítio, o isótopo de hidrogênio mais pesado (T = ³ H), e a massa de hélio leve ( ³ He) em comparação com a molécula de hidrogênio "semi-pesado" HD (D = ² H, deutério, hidrogênio pesado). "Nosso resultado contribui para resolver esse quebra-cabeça, uma vez que corrige a massa do próton na direção adequada, "diz Klaus Blaum.

Florian Köhler-Langes da MPIK explica como os pesquisadores pretendem melhorar ainda mais a precisão de suas medições:"No futuro, vamos armazenar um terceiro íon em nossa torre de armadilha. Medindo simultaneamente o movimento deste íon de referência, poderemos eliminar a incerteza proveniente das flutuações do campo magnético. ”O trabalho foi publicado em Cartas de revisão física .