Pesquisadores da Colaboração ALPHA mediram uma propriedade básica do próton com altíssima precisão. Isto torna possível testar a validade da eletrodinâmica quântica – a pedra angular da nossa compreensão da interação eletromagnética – com uma precisão sem precedentes. A pesquisa foi publicada na renomada revista científica Nature.

Medição precisa fornece novos insights sobre a física do próton

Os investigadores da Colaboração ALPHA do CERN medem a estrutura eléctrica e magnética do protão.

O próton, um dos blocos de construção fundamentais da matéria, consiste em partículas ainda mais fundamentais chamadas quarks e glúons. A estrutura e a dinâmica do próton são complexas e ainda não completamente compreendidas. No entanto, um conhecimento preciso destas propriedades é indispensável para compreender uma variedade de processos, como a fusão nuclear, que é um candidato promissor para garantir o nosso fornecimento de energia no futuro, ou as propriedades das estrelas de neutrões.

As propriedades elétricas e magnéticas do próton estão entre suas características mais básicas. A carga elétrica e o momento magnético, que descrevem a força do próton como um ímã, podem ser medidos com precisão em experimentos dedicados. Desvios dos valores precisamente previstos para o tamanho e a força magnética do próton, conforme dados pelo Modelo Padrão fundamental da física de partículas, seriam um sinal de uma nova física além do Modelo Padrão. Espera-se que estes fenómenos até agora não descobertos ocorram nas escalas de energia e comprimento extremamente elevadas que caracterizaram o Universo primitivo, microssegundos após o Big Bang. Constituem quantidades-alvo importantes para o programa de investigação do Departamento de Física de Altas Energias do DESY, pois contêm a chave para a compreensão de como o nosso universo foi formado.

Uma equipe de pesquisadores liderada por membros do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) e da Universidade de Mainz, ambos localizados na Alemanha, em colaboração com colegas de outros institutos, utilizou as propriedades únicas dos átomos de anti-hidrogênio para medir a concentração do próton. momento magnético com precisão sem precedentes. O anti-hidrogênio consiste em um antipróton e um antielétron (chamado pósitron). Ambas as contrapartes têm massa igual, mas carga elétrica oposta às suas contrapartes comuns. Como consequência, as medições realizadas com anti-hidrogênio permitem isolar e determinar com precisão propriedades de prótons que são difíceis ou impossíveis de medir diretamente no hidrogênio.

Os pesquisadores criaram anti-hidrogênio no aparelho ALPHA-2 no Antiproton Decelerator do CERN. O momento magnético do próton foi medido guiando os antiprótons através de um campo magnético e observando como seus spins mudam quando o campo magnético é invertido. A experiência foi um desafio, pois foram necessários mais de 10 milhões de antiprótons apenas para uma única medição, um número enorme considerando que a produção de um único antipróton normalmente envolve processos sofisticados de várias etapas que duram vários dias. Para superar esse obstáculo, os pesquisadores empregaram uma técnica engenhosa de “engarrafamento de anti-hidrogênio”. Eles armazenaram antiprótons em um ambiente de vácuo ultra-alto por várias semanas, o que permitiu que os antiprótons acumulados fossem usados ​​para múltiplas medições, apesar das taxas de produção extremamente baixas.

A combinação do novo resultado do ALPHA-2 e medições anteriores realizadas no Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suíça) produz o valor mais preciso para o momento magnético do próton até o momento e fornece um teste rigoroso de eletrodinâmica quântica. O resultado representa um avanço substancial no caminho para o objectivo final da colaboração ALPHA:uma comparação precisa entre as propriedades do hidrogénio e do anti-hidrogénio, que irá procurar pistas de novas interacções e simetrias fundamentais.