p Qual é a forma de um elétron? Se você se lembra de fotos de seus livros de ciências do ensino médio, a resposta parece bastante clara:um elétron é uma pequena bola de carga negativa menor que um átomo. Esse, Contudo, está muito longe da verdade. p O elétron é comumente conhecido como um dos principais componentes dos átomos que constituem o mundo ao nosso redor. São os elétrons ao redor do núcleo de cada átomo que determinam como as reações químicas ocorrem. Seus usos na indústria são abundantes:de eletrônica e soldagem a imagens e aceleradores de partículas avançados. Recentemente, Contudo, um experimento de física chamado Advanced Cold Molecule Electron EDM (ACME) colocou um elétron no palco central da investigação científica. A questão que a colaboração ACME tentou abordar era aparentemente simples:Qual é a forma de um elétron?

p Formas clássicas e quânticas?

p Tanto quanto os físicos sabem atualmente, elétrons não têm estrutura interna - e, portanto, nenhuma forma no significado clássico desta palavra. Na linguagem moderna da física de partículas, que aborda o comportamento de objetos menores do que um núcleo atômico, os blocos fundamentais da matéria são substâncias contínuas semelhantes a fluidos, conhecidas como "campos quânticos", que permeiam todo o espaço ao nosso redor. Neste idioma, um elétron é percebido como um quantum, ou uma partícula, do "campo de elétrons". Sabendo disso, faz sentido falar sobre a forma de um elétron se não podemos vê-lo diretamente em um microscópio - ou qualquer outro dispositivo óptico para esse assunto?

p Para responder a esta pergunta, devemos adaptar nossa definição de forma para que ela possa ser usada em distâncias incrivelmente pequenas, ou em outras palavras, no reino da física quântica. Ver diferentes formas em nosso mundo macroscópico realmente significa detectar, com nossos olhos, os raios de luz refletindo em diferentes objetos ao nosso redor.

p Simplificando, definimos formas vendo como os objetos reagem quando iluminamos eles. Embora possa ser uma maneira estranha de pensar sobre as formas, torna-se muito útil no mundo subatômico das partículas quânticas. Isso nos dá uma maneira de definir as propriedades de um elétron de forma que imitem a maneira como descrevemos as formas no mundo clássico.

p O que substitui o conceito de forma no micro mundo? Uma vez que a luz nada mais é do que uma combinação de campos elétricos e magnéticos oscilantes, seria útil definir as propriedades quânticas de um elétron que carregam informações sobre como ele responde a campos elétricos e magnéticos aplicados. Vamos fazer isso.

p Elétrons em campos elétricos e magnéticos

p Como um exemplo, considere a propriedade mais simples de um elétron:sua carga elétrica. Descreve a força - e, finalmente, a aceleração que o elétron experimentaria - se colocado em algum campo elétrico externo. Uma reação semelhante seria esperada de uma bola de gude com carga negativa - daí a analogia da "bola carregada" de um elétron que está nos livros de física elementar. Esta propriedade de um elétron - sua carga - sobrevive no mundo quântico.

p Da mesma forma, outra propriedade de "sobrevivência" de um elétron é chamada de momento de dipolo magnético. Diz-nos como um elétron reagiria a um campo magnético. A este respeito, um elétron se comporta como uma pequena barra magnética, tentando se orientar ao longo da direção do campo magnético. Embora seja importante lembrar de não levar essas analogias longe demais, eles nos ajudam a ver por que os físicos estão interessados ​​em medir essas propriedades quânticas com a maior precisão possível.

p Qual propriedade quântica descreve a forma do elétron? Existem, na verdade, vários deles. O mais simples - e o mais útil para os físicos - é o chamado momento de dipolo elétrico, ou EDM.

p Na física clássica, EDM surge quando há uma separação espacial de cargas. Uma esfera eletricamente carregada, que não tem separação de cargas, tem um EDM de zero. Mas imagine um halter cujos pesos têm cargas opostas, com um lado positivo e outro negativo. No mundo macroscópico, este halter teria um momento de dipolo elétrico diferente de zero. Se a forma de um objeto reflete a distribuição de sua carga elétrica, também implicaria que a forma do objeto teria que ser diferente da esférica. Assim, ingenuamente, o EDM quantificaria o "peso" de um objeto macroscópico.

p Momento de dipolo elétrico no mundo quântico

p A história do EDM, Contudo, é muito diferente no mundo quântico. Lá, o vácuo em torno de um elétron não é vazio e parado. Em vez disso, é povoado por várias partículas subatômicas que entram em existência virtual por curtos períodos de tempo.

p Essas partículas virtuais formam uma "nuvem" em torno de um elétron. Se iluminarmos o elétron, parte da luz pode refletir nas partículas virtuais da nuvem, em vez do próprio elétron.

p Isso mudaria os valores numéricos da carga do elétron e os momentos de dipolo magnético e elétrico. Realizar medições muito precisas dessas propriedades quânticas nos diria como essas partículas virtuais indescritíveis se comportam quando interagem com o elétron e se alteram o EDM do elétron.

p Mais intrigante, entre essas partículas virtuais pode haver novos, espécies desconhecidas de partículas que ainda não encontramos. Para ver seu efeito no momento de dipolo elétrico do elétron, precisamos comparar o resultado da medição com as previsões teóricas do tamanho do EDM calculado na teoria do Universo atualmente aceita, o modelo padrão.

p Até aqui, o modelo padrão descreveu com precisão todas as medições de laboratório que já foram realizadas. Ainda, não é capaz de responder a muitas das questões mais fundamentais, por exemplo, por que a matéria domina a antimatéria em todo o universo. O Modelo Padrão também faz uma previsão para o EDM do elétron:ele exige que seja tão pequeno que o ACME não teria chance de medi-lo. Mas o que teria acontecido se o ACME realmente detectasse um valor diferente de zero para o momento de dipolo elétrico do elétron?

p Remendando os furos no modelo padrão

p Modelos teóricos foram propostos para corrigir as deficiências do Modelo Padrão, prever a existência de novas partículas pesadas. Esses modelos podem preencher as lacunas em nossa compreensão do universo. Para verificar tais modelos, precisamos provar a existência dessas novas partículas pesadas. Isso pode ser feito por meio de grandes experimentos, como os do Large Hadron Collider (LHC) internacional, pela produção direta de novas partículas em colisões de alta energia.

p Alternativamente, pudemos ver como essas novas partículas alteram a distribuição de carga na "nuvem" e seu efeito no EDM do elétron. Assim, a observação inequívoca do momento de dipolo do elétron no experimento ACME provaria que novas partículas estão de fato presentes. Esse era o objetivo do experimento ACME.

p É por isso que um artigo recente na Nature sobre o elétron me chamou a atenção. Teóricos como eu usam os resultados das medições do EDM do elétron - junto com outras medições das propriedades de outras partículas elementares - para ajudar a identificar as novas partículas e fazer previsões de como elas podem ser melhor estudadas. Isso é feito para esclarecer o papel dessas partículas em nossa compreensão atual do universo.

p O que deve ser feito para medir o momento de dipolo elétrico? Precisamos encontrar uma fonte de campo elétrico muito forte para testar a reação de um elétron. Uma possível fonte de tais campos pode ser encontrada dentro de moléculas como o monóxido de tório. Esta é a molécula que a ACME usou em seu experimento. Lançando lasers cuidadosamente ajustados nessas moléculas, uma leitura do momento de dipolo elétrico de um elétron pode ser obtida, desde que não seja muito pequeno.

p Contudo, como acabou, isto é. Os físicos da colaboração ACME não observaram o momento de dipolo elétrico de um elétron - o que sugere que seu valor é muito pequeno para ser detectado por seu aparato experimental. Esse fato tem implicações importantes para nossa compreensão do que podemos esperar dos experimentos do Grande Colisor de Hádrons no futuro.

p Interessantemente, o fato de que a colaboração da ACME não observou um EDM na verdade exclui a existência de novas partículas pesadas que poderiam ter sido mais fáceis de detectar no LHC. Este é um resultado notável para um experimento do tamanho de uma mesa que afeta a forma como planejamos pesquisas diretas por novas partículas no gigante Grande Colisor de Hádrons, e como construímos teorias que descrevem a natureza. É incrível que estudar algo tão pequeno quanto um elétron possa nos dizer muito sobre o universo. p Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.