Os pesquisadores da Universidade de York fizeram uma medição precisa do tamanho do próton - um passo crucial para resolver um mistério que preocupou cientistas de todo o mundo na última década.

Os cientistas pensaram que sabiam o tamanho do próton, mas isso mudou em 2010, quando uma equipe de físicos mediu o valor do raio do próton como sendo quatro por cento menor do que o esperado, que confundiu a comunidade científica. Desde então, os físicos do mundo têm se esforçado para resolver o quebra-cabeça próton-raio - a inconsistência entre esses dois valores próton-raio. Este quebra-cabeça é um importante problema não resolvido na física fundamental hoje.

Agora, um estudo a ser publicado na revista Ciência encontra uma nova medida para o tamanho do próton em 0,833 femtometres, que é pouco menos de um trilionésimo de milímetro. Esta medição é aproximadamente cinco por cento menor do que o valor do raio aceito anteriormente antes de 2010.

O estudo, liderado por pesquisadores da Faculdade de Ciências da Universidade de York, apresenta uma nova medição baseada em elétrons de até onde a carga positiva do próton se estende, e confirma a descoberta de 2010 de que o próton é menor do que se acreditava anteriormente.

"O nível de precisão necessário para determinar o tamanho do próton tornou esta a medição mais difícil que nosso laboratório já tentou, "disse o ilustre professor de pesquisa Eric Hessels, Departamento de Física e Astronomia, quem conduziu o estudo.

"Depois de oito anos trabalhando neste experimento, temos o prazer de registrar uma medição de alta precisão que ajuda a resolver o difícil quebra-cabeça próton-raio, "disse Hessels.

A busca para resolver o quebra-cabeça próton-raio tem consequências de longo alcance para a compreensão das leis da física, como a teoria da eletrodinâmica quântica, que descreve como a luz e a matéria interagem.

Hessels, que é um físico reconhecido internacionalmente e especialista em física atômica, diz que três estudos anteriores foram fundamentais na tentativa de resolver a discrepância entre as determinações baseadas em elétrons e múon do tamanho do próton.

O estudo de 2010 foi o primeiro a usar hidrogênio muônico para determinar o tamanho do próton, em comparação com experimentos anteriores que usaram hidrogênio regular. No momento, os cientistas estudaram um átomo exótico em que o elétron é substituído por um múon, o primo mais pesado do elétron. Embora um estudo de 2017 usando hidrogênio concordasse com a determinação baseada em múon de 2010 do raio de carga do próton, um experimento de 2018, também usando hidrogênio, apoiou o valor pré-2010.

Hessels e sua equipe de cientistas passaram oito anos focados em resolver o quebra-cabeça próton-raio e entender por que o raio do próton assumiu um valor diferente quando medido com múons, em vez de elétrons.

A equipe da Universidade de York estudou o hidrogênio atômico para entender o valor desviante obtido do hidrogênio muônico. Eles realizaram uma medição de alta precisão usando a técnica de campos oscilatórios separados por deslocamento de frequência (FOSOF), que desenvolveram para esta medição. Esta técnica é uma modificação da técnica de campos oscilatórios separados que existe há quase 70 anos e que rendeu a Norman F. Ramsey um Prêmio Nobel. A medição deles usou um feixe rápido de átomos de hidrogênio criado pela passagem de prótons através de um alvo de gás hidrogênio molecular. O método permitiu que eles fizessem uma medição do raio do próton baseada em elétrons que é diretamente análoga à medição baseada em múons do estudo de 2010. Seu resultado concorda com o menor valor encontrado no estudo de 2010.