Os físicos resolveram o problema do tamanho anômalo do próton — nenhum milagre aconteceu.

Dois artigos de física foram publicados recentemente, oferecendo diferentes perspectivas sobre o problema do tamanho anômalo do próton, que surgiu há 15 anos. A física de partículas moderna não admite anomalias nas características das partículas — sua precisão chega a 12 casas decimais, não deixando espaço para incertezas. No entanto, as medições do raio do próton realizadas em 2010 não corresponderam aos valores anteriores, o que permaneceu um mistério até agora.

Imagem de um orbital eletrônico em torno de um próton em um átomo de hidrogênio, obtida por uma plataforma quântica.

Tradicionalmente, o raio do próton é medido usando o átomo de hidrogênio, que contém um próton e um elétron. Estritamente falando, um próton não possui dimensões físicas como uma partícula monolítica. Ele consiste em três quarks carregados, unidos pela força nuclear forte, e essencialmente representa uma nuvem de possíveis arranjos espaciais dessas partículas subatômicas. Portanto, o tamanho do próton é tradicionalmente descrito pelo raio da distribuição da densidade de carga dos quarks. Os físicos definem os limites do próton onde a carga cai abaixo de um certo limiar.

Os limites do próton (distribuição da densidade de carga) são medidos usando um elétron. O elétron reside próximo ao próton na nuvem eletrônica — em todas as posições possíveis permitidas por sua função de onda. Lembre-se de que o elétron “flutuava” em órbitas ao redor do núcleo em teorias que datam de um século atrás. A mecânica quântica não permite isso e pressupõe que, antes que a posição de um elétron seja medida, ele pode estar simultaneamente em qualquer lugar em sua nuvem eletrônica (o princípio da superposição). Para medir com mais precisão o raio do próton, o elétron é substituído por sua contraparte mais pesada, o múon. O múon é mantido muito mais próximo do próton, reduzindo assim o erro de medição.

A anomalia na medição surgiu em 2010, quando um grupo de cientistas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica realizou espectroscopia de hidrogênio muônico. Os múons são 200 vezes mais pesados ​​que os elétrons e, portanto, permitem uma análise dez milhões de vezes mais precisa da estrutura interna.O valor do raio resultante — 0,841 femtômetros — foi menor que o valor anteriormente aceito de 0,876 fm, derivado do espalhamento elétron-próton e da espectroscopia convencional. A medição foi feita com um nível de confiança superior a 5 sigma e foi aceita pela comunidade científica. Experimentos subsequentes, de 2013 a 2019, geralmente confirmaram o tamanho menor, mas medições individuais em hidrogênio comum continuaram a mostrar o valor anterior, maior, gerando controvérsia.

Um novo trabalho realizado por equipes da Universidade da Califórnia, Berkeley, e da Universidade Estadual do Colorado utilizou técnicas de laser de ultraprecisão em câmaras de vácuo contendo átomos de hidrogênio comum. Os cientistas monitoraram o movimento do elétron e mediram a diferença de nível de energia, o que lhes permitiu determinar independentemente o raio de carga do próton. Um artigo publicado na Nature e o segundo na Physical Review Letters apresentaram resultados três e duas vezes mais precisos, respectivamente, do que as medições anteriores de 2019. A análise combinada confirmou um valor de aproximadamente 0,84 femtômetros com uma significância estatística recorde de 5,5 sigma.

Assim, o mistério do tamanho do próton foi resolvido em favor de um raio menor, o que é totalmente consistente com o Modelo Padrão e elimina a necessidade de novas partículas ou forças. “Acreditamos que este seja o golpe final neste mistério”, afirmou um dos autores do artigo da Nature. Isso não apenas resolve um debate de longa data, mas também abre caminho para testes ainda mais rigorosos da física fundamental.