Dez anos atrás, praticamente qualquer físico nuclear poderia dizer o tamanho aproximado do próton. Mas isso mudou em 2010, quando os físicos atômicos revelaram um novo método que prometia uma medição mais precisa. A nova quantidade ficou 4% menor do que o esperado, desencadeando uma confusão dentro das comunidades de física nuclear e atômica para determinar se esse resultado discrepante era devido a uma nova física ou uma indicação de problemas com as extrações da quantidade de experimentos.

Agora, quatro físicos nucleares, dois experimentalistas e dois teóricos, acho que eles resolveram a discrepância usando dados de física nuclear experimental e um modelo físico avançado para obter um novo valor para o tamanho do próton. O resultado foi publicado em Revisão Física C em abril.

Levando um Yardstick para o Próton

Uma coisa com a qual todos os métodos concordam é que o próton é minúsculo. O raio de carga do próton, que mede o tamanho da distribuição de carga elétrica na partícula nuclear, é um pouco menos do que um femtômetro, com um único femtômetro registrando a um quadrilionésimo de um metro.

Dito de outra forma, se você pegar uma régua e dividir seu comprimento em um bilhão de pedaços iguais, e, em seguida, pegue apenas uma dessas peças e divida seu comprimento em outro milhão de peças, o comprimento de cada uma dessas milhões de peças será um femtômetro.

Por ser tão pequeno, o raio de carga do próton não pode ser medido diretamente. Em vez de, físicos nucleares e atômicos usam métodos sofisticados para determinar o tamanho do próton.

"Basicamente, é sobre a interação do próton com campos eletromagnéticos, isso é parte do que é chamado de estrutura eletromagnética do próton, ou o fator de forma do próton, "explicou Christian Weiss, um cientista da equipe do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia do Centro de Física Teórica e Computacional. "O que você está medindo é o tamanho da distribuição espacial da carga elétrica do próton."

Two's Company, Três é uma multidão

Cerca de 30 anos atrás, físicos nucleares e atômicos criaram dois métodos diferentes para determinar esse raio de carga elétrica.

Os físicos nucleares conduzem experimentos por meio de espalhamento de elétrons, onde os elétrons são lançados contra os prótons, e o raio de carga do próton é determinado pela mudança no caminho dos elétrons depois que eles ricocheteiam no próton.

"Em algum sentido, o elétron se espalha suavemente pelo próton, "Weiss disse.

Os físicos atômicos também usam elétrons para medir o raio do próton. Eles observam, usando espectroscopia, os níveis de energia dos elétrons à medida que orbitam um pequeno núcleo, como o hidrogênio (com um próton) ou deutério (com um próton e um nêutron).

Usando esses dois métodos diferentes, um raio de cerca de 0,88 femtômetros foi estabelecido como o valor mundial.

Então, em 2010, uma equipe de pesquisa em física atômica fez um anúncio chocante. Em uma reviravolta no método da física atômica, a equipe mediu os níveis de energia dos elétrons em órbita ao redor de átomos de hidrogênio feitos em laboratório que substituíram um elétron em órbita por um múon. Embora um múon seja da mesma classe de partícula que o elétron, ele tem 200 vezes a massa do elétron e, portanto, orbita muito mais perto do próton. Essa proximidade significa que o raio de carga do próton tem um efeito maior em sua órbita.

O novo, método mais preciso rendeu uma medição de 0,84 femtômetros, ou cerca de 4% menor do que o valor mundial.

O novo resultado desencadeou um frenesi de atividade em torno de um valor que a maioria dos físicos pensava já ter sido estabelecido. Outros experimentos de espalhamento de elétrons foram planejados, medições adicionais de espectroscopia de hidrogênio e hidrogênio muônico foram feitas, e as teorias atômica e nuclear foram reexaminadas em busca de pistas.

Físicos se enfrentam

Aqui no Jefferson Lab, os novos esforços galvanizaram uma revisão dos experimentos que foram usados ​​para estabelecer o valor mundial e uma revisão da teoria nuclear para maneiras mais precisas de examinar os dados ou prever o valor a partir dos resultados. Uma equipe de quatro físicos nucleares se reuniu para trabalhar na ciência por trás da publicação Physical Review C.

Eles começaram abordando uma das preocupações que os físicos nucleares experimentais tinham sobre os dados de espalhamento de elétrons:como a quantidade para o raio do próton era obtida a partir de dados experimentais.

"Tem havido um desafio de extrair o raio do próton a partir desses dados de espalhamento de elétrons, porque os experimentos de espalhamento reais requerem alguma transferência de momento finito do próton, "Weiss explicou." O número em que você está interessado é a resposta do próton na transferência de momento zero, então isso é algo que não está diretamente acessível. "

Em vez de, os físicos nucleares analisam os dados que obtêm de experimentos nas transferências de menor momento e, em seguida, usam um procedimento para extrapolar até zero. Há um debate em andamento, Contudo, sobre quais transferências de momentum ainda são relevantes e como a extrapolação deve ser feita.

Dois membros da equipe são experimentalistas:Douglas Higinbotham, um cientista da equipe do Jefferson Lab, e Zhihong Ye, um associado sênior de pesquisa no Argonne National Lab. Eles resolveram o lado experimental do desafio considerando os dados mundiais de pré-análise em uma ampla gama de transferências de momentum.

Em vez de extrapolar a partir dos dados para obter um valor, em vez disso, eles plotaram os dados ao longo de toda a gama de transferências de momento medidas, levando em consideração que o raio de carga do próton poderia ser qualquer um dos muitos valores possíveis.

"Nós apenas fixamos o raio em nossos ajustes e repetimos a análise muitos, muitas vezes, para cada valor razoável do raio, "disse Higinbotham." E então foi aos teóricos e pediu-lhes que gerassem as curvas teóricas para aqueles raios, para que possamos comparar e ver se há acordo. "

Os outros dois membros da equipa de quatro pessoas são teóricos:Weiss e José Manuel Alarcón, professor pesquisador da Universidad Complutense de Madrid. Eles trabalharam juntos para fortalecer os métodos teóricos usados ​​para analisar o problema.

"Usamos um método teórico particular chamado teoria do campo eficaz para fazer um modelo da estrutura do próton de como ele responde ao espalhamento eletromagnético em transferências de baixo momento, "Weiss explicou." A teoria condensa a estrutura relevante do próton em alguns números. E permite que você preveja a resposta do próton ao espalhamento de elétrons em transferências de momento finito, e como isso está relacionado ao raio de carga que você deseja extrair. "

Quando os experimentalistas e teóricos compararam seus trabalhos, eles descobriram que convergiu para um novo valor para o raio do próton, como mostrado na animação.

"O que é absolutamente lindo e impressionante é quando você olha se existe um raio onde o ajuste global e o cálculo teórico concordam, há um. São 0,845 femtômetros, "disse Higinbotham." E é estranhamente consistente com o resultado do raio muônico e não com muitos dos resultados anteriores de extração por espalhamento de elétrons.

Uma janela para a nova física

A busca para resolver essa discrepância não é uma questão de curiosidade ociosa - o valor dessa quantidade tem efeitos de longo alcance. Por exemplo, um resultado mais preciso pode revelar áreas desconhecidas da física nuclear e de partículas.

"Pode ser uma janela para uma nova física. Se não podemos reconciliar diferentes medições para o raio do próton, talvez seja porque há uma nova física que não entendemos ou que não temos em nossa teoria. Essa é uma das razões pelas quais o raio do próton é tão importante, "explicou Alarcón.

Quando questionados se eles acham que esta é a determinação final para esta quantidade, todos os quatro pesquisadores contestaram.

“A ciência é um processo de refinamento sucessivo de ideias e métodos, em que nossa compreensão atual é apenas um estágio a partir do qual passamos para uma teoria e experimentos mais precisos, "disse Weiss.

Por enquanto, eles apontam para vários estudos experimentais recentes que usam tecnologias mais recentes para medir o valor com uma precisão ainda maior, incluindo o experimento PRad que coletou dados de espalhamento de elétrons no Experimental Hall B do Jefferson Lab em 2016. É nomeado devido ao seu objetivo:uma medição cada vez mais precisa do raio do próton.

“O resultado do PRad sairá este ano. Será interessante ver se o novo resultado pode confirmar nossa análise científica, "disse Ye.