O protão poderá ser mais pequeno do que se pensava

“Das três uma: ou a teoria está incompleta e há qualquer coisa que ela não consegue prever; ou os cálculos estão errados; ou o valor de uma das constantes mais bem conhecidas da física está errado”, diz-nos pelo telefone Joaquim Santos, da Universidade de Coimbra. A teoria de que fala é a Electrodinâmica Quântica, ou QED, um dos pilares da física, que descreve as interacções entre a luz e a matéria e é uma das mais bem sucedidas na previsão das propriedades dos átomos. Os cálculos de que fala são aqueles que, a partir dessa teoria, permitem calcular o tamanho (o raio) do protão, um dos constituintes de base dos átomos. A constante de que fala é uma constante física fundamental, chamada constante de Rydberg e cujo valor também está ligado ao tamanho do protão. (…)

Por que é que uma destas três coisas poderá ter um problema? Porque uma equipa internacional de cientistas, entre os quais a de Joaquim Santos (onde se incluem também investigadores da Universidade de Aveiro) publica hoje na revista “Nature” um resultado que mostra que o protão poderá ser mais pequeno do que se pensava.
Hoje em dia, o raio do protão é conhecido com uma precisão de apenas um por cento, principalmente através da espectroscopia feita ao átomo de hidrogénio (que não é senão um protão com um electrão à volta). E o que os 32 investigadores da equipa – do Instituto Max Planck, na Alemanha; do Instituto Paul Scherrer e do ETH Zurique, ambos na Suíça; do Laboratório Kastler Brossel em Paris; dos EUA e de Taiwan; e de Coimbra e Aveiro – pretendiam era aumentar essa precisão de um por cento para um por mil, acrescentando mais uma casa decimal ao valor oficial em vigor, que é de 0,8768 femtometros (milésimos de bilionésimo de metro). “Precisávamos de melhorar a precisão porque [as previsões] da teoria QED estão limitadas pela precisão do raio do protão”, explica Joaquim Santos. Só que, quando o mediram, o valor que obtiveram estava vários pontos percentuais abaixo do previsto. O novo valor, obtido através de um dispositivo experimental novo e muito sofisticado, é de 0,84184 femtometros – ou seja, cerca de quatro por cento mais pequeno. (…) Pode continuar a ler no Público 

Consultei a página da nature e encontrei mais alguma informação sobre o assunto. Apesar de saber que é complicada, não resisti a apresenta as imagens que acompanham o artigo pois permitem um pequeno vislumbre daquilo que está por detrás de uma (eventual) descoberta científica.

Figure 1: Energy levels, cascade and experimental principle in muonic hydrogen.

a, About 99% of the muons proceed directly to the 1S ground state during the muonic cascade, emitting ‘prompt’ K-series X-rays (blue). 1% remain in the metastable 2S state (red).

b, The μp(2S) atoms are illuminated by a laser pulse (green) at ‘delayed’ times. If the laser is on resonance, delayed K_α X-rays are observed (red).

c, Vacuum polarization dominates the Lamb shift in μp. The proton's finite size effect on the 2S state is large. The green arrow indicates the observed laser transition at λ = 6 μm.

Figure 2: Muon beam.

Muons (blue) entering the final stage of the muon beam line pass two stacks of ultra-thin carbon foils (S₁, S₂). The released electrons (red) are separated from the slower muons by E×B drift in an electric field E applied perpendicularly to the B = 5 T magnetic field and are detected in plastic scintillators read out by photomultiplier tubes (PM_1–3). The muon stop volume is evenly illuminated by the laser light using a multipass cavity.

Figure 3: Laser system.

The c.w. light of the Ti:sapphire (Ti:Sa) ring laser (top right) is used to seed the pulsed Ti:sapphire oscillator (‘osc.’; middle). A detected muon triggers the Yb:YAG thin-disk lasers (top left). After second harmonic generation (SHG), this light pumps the pulsed Ti:Sa oscillator and amplifier (‘amp.’; middle) which emits 5 ns short pulses at the wavelength given by the c.w. Ti:Sa laser. These short pulses are shifted to the required λ ≈ 6 µm via three sequential Stokes shifts in the Raman cell (bottom). The c.w. Ti:Sa is permanently locked to a I₂/Cs calibrated Fabry-Perot reference cavity (FP). Frequency calibration is always performed at λ = 6 µm using H₂O absorption. See Online Methods for details.

Figure 4: Summed X-ray time spectra.

Spectra were recorded on resonance (a) and off resonance (b). The laser light illuminates the muonic atoms in the laser time window t ∈ [0.887, 0.962] µs indicated in red. The ‘prompt’ X-rays are marked in blue (see text and Fig. 1). Inset, plots showing complete data; total number of events are shown.

Figure 5: Resonance.

Filled blue circles, number of events in the laser time window normalized to the number of ‘prompt’ events as a function of the laser frequency. The fit (red) is a Lorentzian on top of a flat background, and gives a χ²/d.f. of 28.1/28. The predictions for the line position using the proton radius from CODATA³ or electron scattering^{1, 2} are indicated (yellow data points, top left). Our result is also shown (‘our value’). All error bars are the ±1 s.d. regions. One of the calibration measurements using water absorption is also shown (black filled circles, green line).