Usando o primeiro método novo em meio século para medir o tamanho do próton via espalhamento de elétrons, a colaboração do PRad produziu um novo valor para o raio do próton em um experimento conduzido no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia.

O resultado, publicado recentemente no jornal Natureza , é um dos mais precisos medidos a partir de experimentos de espalhamento de elétrons. O novo valor para o raio do próton obtido é 0,831 fm, que é menor do que o valor anterior de espalhamento de elétrons de 0,88 fm e está de acordo com os resultados recentes da espectroscopia atômica muônica.

"Estamos felizes que anos de trabalho árduo de nossa colaboração estão chegando ao fim com um bom resultado que ajudará criticamente na solução do chamado quebra-cabeça do raio do próton, "diz Ashot Gasparian, professor da North Carolina A&T State University e porta-voz do experimento.

Toda a matéria visível no universo é construída sobre uma nuvem de três quarks unidos por uma forte energia de força. O próton onipresente, que fica no coração de cada átomo, tem sido objeto de numerosos estudos e experimentos com o objetivo de revelar seus segredos. Ainda, um resultado inesperado de um experimento para medir o tamanho desta nuvem, em termos de seu raio de carga quadrada média, uniu físicos atômicos e nucleares em uma enxurrada de atividades para reexaminar essa quantidade básica do próton.

Antes de 2010, as medições mais precisas do raio do próton vieram de dois métodos experimentais diferentes. Em experimentos de espalhamento de elétrons, elétrons são disparados contra os prótons, e o raio de carga do próton é determinado pela mudança no caminho dos elétrons depois que eles ricocheteiam, ou espalhar de, o próton. Em medições de espectroscopia atômica, as transições entre os níveis de energia por elétrons são observadas (na forma de fótons que são emitidos pelos elétrons) conforme eles orbitam um pequeno núcleo. Os núcleos que foram tipicamente observados incluem hidrogênio (com um próton) ou deutério (com um próton e um nêutron). Esses dois métodos diferentes produziram um raio de cerca de 0,88 femtômetros.

Em 2010, físicos atômicos anunciaram resultados de um novo método. Eles mediram a transição entre os níveis de energia dos elétrons em órbita em torno de átomos de hidrogênio feitos em laboratório que substituíram um elétron em órbita por um múon, que orbita muito mais perto do próton e é mais sensível ao raio de carga do próton. Esse resultado gerou um valor 4% menor do que antes, em cerca de 0,84 femtômetros.

Em 2012, uma colaboração de cientistas liderados por Gasparian reuniu-se no Jefferson Lab para renovar os métodos de espalhamento de elétrons na esperança de produzir uma medição nova e mais precisa do raio de carga do próton. O experimento PRad recebeu prioridade de agendamento como um dos primeiros experimentos a obter dados e concluir sua execução após uma atualização do Continuous Electron Beam Accelerator Facility, um DOE User Facility para pesquisa de física nuclear. O experimento coletou dados de espalhamento de elétrons no Experimental Hall B do Jefferson Lab em 2016.

"Quando começamos esta experiência, as pessoas estavam procurando por respostas. Mas para fazer outro experimento de espalhamento elétron-próton, muitos céticos não acreditavam que pudéssemos fazer algo novo, "diz Gasparian." Se você quiser inventar algo novo, você tem que criar algumas ferramentas novas, algum novo método. E fizemos isso - fizemos um experimento que é completamente diferente de outros experimentos de espalhamento de elétrons. "

A colaboração instituiu três novas técnicas para melhorar a precisão da nova medição. O primeiro foi a implementação de um novo tipo de sistema de destino sem janelas, que foi financiado por uma concessão de Instrumentação de Pesquisa Principal da National Science Foundation e foi amplamente desenvolvido, fabricado e operado pelo grupo alvo do Jefferson Lab.

O alvo sem janela fluía gás hidrogênio refrigerado diretamente na corrente de elétrons acelerados do CEBAF 1.1 e 2.2 GeV e permitiu que os elétrons dispersos se movessem quase desimpedidos para os detectores.

"Quando dizemos sem janelas, estamos dizendo que o tubo está aberto ao vácuo do acelerador. Que parece uma janela, mas no espalhamento de elétrons, uma janela é uma tampa de metal na extremidade do tubo, e aqueles foram removidos, "diz Dipangkar Dutta, co-porta-voz do experimento e professor da Mississippi State University.

"Portanto, esta é a primeira vez que as pessoas realmente colocam um alvo de fluxo de gás na linha de luz do Jefferson Lab, "diz Haiyan Gao, um co-porta-voz do experimento e professor Henry Newson da Duke University. "O vácuo estava bom, para que pudéssemos ter feixe de elétrons passando por nosso alvo para fazer o experimento, e, na verdade, temos um orifício na folha de entrada e outro na folha de saída. Essencialmente, o feixe acabou de passar diretamente para o gás hidrogênio, não vejo nenhuma janela. "

A próxima grande diferença foi o uso de um calorímetro, em vez do espectrômetro magnético tradicionalmente usado para detectar elétrons dispersos resultantes da chegada dos elétrons que atingem os prótons ou elétrons do hidrogênio. O calorímetro híbrido reaproveitado HyCal mediu as energias e posições dos elétrons espalhados, enquanto um multiplicador de elétron de gás recém-construído, o detector GEM, também detectou as posições dos elétrons com precisão ainda maior.

Os dados de ambos os detectores foram comparados em tempo real, o que permitiu aos físicos nucleares classificar cada evento como um espalhamento elétron-elétron ou um espalhamento elétron-próton. Este novo método de classificação dos eventos permitiu que os físicos nucleares normalizassem seus dados de espalhamento elétron-próton para dados de espalhamento elétron-elétron, reduzindo grandemente as incertezas experimentais e aumentando a precisão.

A última grande melhoria foi a colocação desses detectores extremamente próximos em distância angular de onde o feixe de elétrons atingiu o alvo de hidrogênio. A colaboração foi capaz de reduzir essa distância para menos de um grau.

"No espalhamento de elétrons, a fim de extrair o raio, temos que ir para o menor ângulo de espalhamento possível, "diz Dutta." Para obter o raio do próton, você precisa extrapolar para o ângulo zero, que você não pode acessar em um experimento. Então, quanto mais perto de zero você pode chegar, o melhor."

"A região que exploramos está em um ângulo tão à frente e em uma pequena transferência de quatro momentos ao quadrado que nunca foi alcançada antes no espalhamento elétron-próton, "adiciona Mahbub Khandaker, um co-porta-voz do experimento e professor da Idaho State University.

Os colaboradores dizem que o resultado é único, porque usou uma nova técnica por espalhamento de elétrons para determinar o raio de carga do próton. Agora, eles estão ansiosos para comparar o resultado com novas determinações espectroscópicas do raio do próton e as próximas medidas de espalhamento de elétron e múon que estão sendo conduzidas em todo o mundo.

Avançar, este resultado também lança uma nova luz na conjectura de uma nova força da natureza que foi proposta quando o quebra-cabeça do raio do próton apareceu pela primeira vez.

"Quando o quebra-cabeça inicial do raio do próton foi lançado em 2010, havia esperança na comunidade de que talvez tenhamos encontrado uma quinta força da natureza, que esta força atua de forma diferente entre elétrons e múons, "diz Dutta." Mas a experiência do PRad parece fechar a porta para essa possibilidade. "

Eles dizem que o próximo passo é considerar a realização de investigações adicionais usando este novo método experimental para alcançar medições de precisão ainda mais altas neste e em tópicos relacionados, como o raio do deutério, o núcleo do deutério.

"Há uma chance muito boa de melhorarmos nossas medições por um fator de dois ou talvez até mais, "Gao diz.