Em experimentos no Paul Scherrer Institute PSI, uma colaboração de pesquisa internacional mediu o raio do núcleo atômico do hélio cinco vezes mais precisamente do que nunca. Com a ajuda do novo valor, teorias físicas fundamentais podem ser testadas e constantes naturais podem ser determinadas com ainda mais precisão. Para suas medições, os pesquisadores precisavam de múons - essas partículas são semelhantes aos elétrons, mas são cerca de 200 vezes mais pesadas. PSI é o único local de pesquisa no mundo onde são produzidos múons chamados de baixa energia suficientes para tais experimentos. Os pesquisadores estão publicando seus resultados hoje na revista. Natureza .

Depois do hidrogênio, o hélio é o segundo elemento mais abundante no universo. Cerca de um quarto dos núcleos atômicos que se formaram nos primeiros minutos após o Big Bang eram núcleos de hélio. Eles consistem em quatro blocos de construção:dois prótons e dois nêutrons. Para física fundamental, é crucial conhecer as propriedades do núcleo de hélio, entre outras coisas, para entender os processos em outros núcleos atômicos que são mais pesados ​​que o hélio. "O núcleo de hélio é um núcleo fundamental, que pode ser descrito como mágico, "diz Aldo Antognini, um físico do PSI e ETH Zurich. Seu colega e co-autor Randolf Pohl, da Johannes Gutenberg University Mainz, na Alemanha, acrescenta:"Nosso conhecimento prévio sobre o núcleo de hélio vem de experimentos com elétrons. No PSI, Contudo, pela primeira vez, desenvolvemos um novo tipo de método de medição que permite uma precisão muito melhor. "

Com isso, a colaboração de pesquisa internacional conseguiu determinar o tamanho do núcleo do hélio cerca de cinco vezes mais precisamente do que era possível em medições anteriores. O grupo publica hoje seus resultados na renomada revista científica Natureza . De acordo com suas descobertas, o chamado raio médio de carga do núcleo de hélio é 1,67824 femtômetros.

"A ideia por trás de nossos experimentos é simples, "explica Antognini. Normalmente dois elétrons carregados negativamente orbitam o núcleo de hélio carregado positivamente." Nós não trabalhamos com átomos normais, mas com átomos exóticos em que ambos os elétrons foram substituídos por um único múon, "diz o físico. O múon é considerado o irmão mais pesado do elétron; ele se parece com ele, mas é cerca de 200 vezes mais pesado. Um múon está muito mais fortemente ligado ao núcleo atômico do que um elétron e o circunda em órbitas muito mais estreitas. Comparado aos elétrons, é muito mais provável que um múon permaneça no próprio núcleo. "Assim, com o hélio muônico, podemos tirar conclusões sobre a estrutura do núcleo atômico e medir suas propriedades, "Antognini explica.

Múons lentos, sistema de laser complicado

Os múons são produzidos em PSI usando um acelerador de partículas. A especialidade da instalação:gerar múons com baixa energia. Essas partículas são lentas e podem ser interrompidas no aparelho para experimentos. Esta é a única maneira pela qual os pesquisadores podem formar os átomos exóticos nos quais um múon lança um elétron de sua órbita e o substitui. Múons rápidos, em contraste, voaria direto pelo aparelho. O sistema PSI oferece mais múons de baixa energia do que todos os outros sistemas comparáveis ​​em todo o mundo. “É por isso que o experimento com hélio muônico só pode ser feito aqui, "diz Franz Kottmann, que há 40 anos vem avançando com os estudos preliminares e desenvolvimentos técnicos necessários para esta experiência.

Os múons atingem uma pequena câmara cheia de gás hélio. Se as condições forem certas, hélio muônico é criado, onde o múon está em um estado de energia no qual freqüentemente permanece no núcleo atômico. "Agora, o segundo componente importante para o experimento entra em ação:o sistema de laser, "Pohl explica. O sistema complicado dispara um pulso de laser no gás hélio. Se a luz do laser tiver a frequência certa, excita o múon e o avança para um estado de energia superior, em que seu trajeto é praticamente sempre fora do núcleo. Quando cai deste para o estado fundamental, ele emite raios-x. Os detectores registram esses sinais de raios-X.

No experimento, a freqüência do laser é variada até que um grande número de sinais de raios-X chegue. Os físicos falam então da chamada frequência de ressonância. Com sua ajuda, então, a diferença entre os dois estados energéticos do múon no átomo pode ser determinada. De acordo com a teoria, a diferença de energia medida depende de quão grande é o núcleo atômico. Portanto, usando a equação teórica, o raio pode ser determinado a partir da ressonância medida. Esta análise de dados foi realizada no grupo de Randolf Pohl em Mainz.

O mistério do raio do próton está desaparecendo

Os pesquisadores do PSI já haviam medido o raio do próton da mesma forma em 2010. Na época, seu valor não correspondeu ao obtido por outros métodos de medição. Falava-se de um quebra-cabeça de raio de próton, e alguns especularam que uma nova física poderia estar por trás disso na forma de uma interação até então desconhecida entre o múon e o próton. Desta vez, não há contradição entre o novo, valor mais preciso e as medições com outros métodos. "Isso torna a explicação dos resultados com a física além do modelo padrão mais improvável, "diz Kottmann. Além disso, nos últimos anos o valor do raio do próton determinado por meio de outros métodos tem se aproximado do número preciso do PSI. "O quebra-cabeça do raio do próton ainda existe, mas está desaparecendo lentamente, "diz Kottmann.

"Nossa medição pode ser usada de diferentes maneiras, "diz Julian Krauth, primeiro autor do estudo:"O raio do núcleo do hélio é uma pedra de toque importante para a física nuclear." Os núcleos atômicos são mantidos juntos pela chamada interação forte, uma das quatro forças fundamentais da física. Com a teoria da interação forte, conhecido como cromodinâmica quântica, os físicos gostariam de ser capazes de prever o raio do núcleo do hélio e outros núcleos atômicos leves com alguns prótons e nêutrons. O valor medido com extrema precisão para o raio do núcleo de hélio coloca essas previsões à prova. Isso também possibilita testar novos modelos teóricos da estrutura nuclear e compreender ainda melhor os núcleos atômicos.

As medições do hélio muônico também podem ser comparadas com experimentos usando átomos e íons de hélio normais. Em experimentos com estes, também, transições de energia podem ser acionadas e medidas com sistemas a laser - aqui, no entanto, com elétrons em vez de múons. As medições do hélio eletrônico estão em andamento agora. Ao comparar os resultados das duas medições, é possível tirar conclusões sobre constantes naturais fundamentais, como a constante de Rydberg, que desempenha um papel importante na mecânica quântica.

Uma colaboração com uma longa tradição

Embora a medição do raio do próton tenha sido bem-sucedida apenas após experimentos prolongados, o experimento do núcleo de hélio funcionou imediatamente. "Tivemos sorte que tudo correu bem, "diz Antognini, "porque com nosso sistema a laser estamos no limite da tecnologia, e algo pode quebrar facilmente. "

“Será ainda mais difícil com nosso novo projeto, "acrescenta Karsten Schuhmann da ETH Zurich." Aqui estamos agora tratando do raio magnético do próton. E para isso, os pulsos de laser devem ser 10 vezes mais energéticos. "