Uma nova medida precisa do tamanho de um próton mostra que um problema de uma década pode agora ter uma solução.

O próton é indiscutivelmente a partícula mais importante para a nossa vida cotidiana. Ele é um dos três componentes principais dos átomos e determina a identidade dos elementos. Isso torna os valores de suas várias propriedades extremamente importantes.

A discordância experimental sobre uma dessas propriedades, chamada raio de carga, deu início a uma década de medições cada vez mais precisas. Agora, os cientistas divulgaram os resultados da medição por um novo método e sugerem que a incerteza está chegando ao fim.

Os cientistas medem o tamanho do próton usando um valor chamado raio de carga, uma medida de como a carga elétrica é distribuída na partícula. Até 2010, os cientistas mediam o raio usando uma de duas maneiras: espalhando elétrons do próton ou usando algo chamado deslocamento de Lamb, que calculava o valor com base na diferença entre dois níveis de energia em um átomo que consiste em apenas um próton e um elétron. Lembre-se da aula de química: os elétrons preferem certos lugares ao redor de um átomo, chamados níveis de energia.

Esses dois métodos estavam em concordância aproximada em um valor de raio de carga de cerca de 0,877 femtômetros — um femtômetro é de 100 quintilhionésimos de metro.

Mas duas medições em 2010 meio que arruinaram tudo. Ambas mediram o deslocamento de Lamb de um átomo que consiste em um próton e um múon, que é meio que uma versão mais pesada e rara do elétron. O múon fica muito mais próximo do próton do que o elétron, tornando o método mais preciso.

Ambos os resultados concordaram um com o outro, mas foram muito menores do que as medições anteriores, em torno de 0,842 femtômetros — tão menores que alguns cientistas se perguntaram se havia efeitos físicos ainda não descobertos para explicar a diferença.

Os físicos continuaram medindo novamente o raio de carga ao longo da década de 2010. Então, anteriormente neste ano, o quebra-cabeça parecia resolvido, sem nenhuma nova descoberta inesperada.

Uma equipe da Universidade de York, no Canadá, liderada pelo professor Eric Hessels, observou um deslocamento de Lamb mais difícil de medir, usando um átomo de hidrogênio constituído por um próton e um elétron, bem como o deslocamento de Lamb de um átomo com próton e múon.

Ambas as medidas concordaram, e a equipe mediu um raio de carga de 0,833 femtômetros. Talvez algo estivesse errado com as medições anteriores a 2010.

Mas isso é ciência, e os problemas não são resolvidos por artigos únicos — outros experimentos estavam em andamento, e os cientistas geralmente querem uma verificação independente de medidas importantes. Hoje, outra equipe de cientistas que trabalha nos Estados Unidos, na Ucrânia, na Rússia e na Armênia, formando a colaboração PRad do Jefferson Lab, na Virgínia, revisou a medição usando um novo experimento de espalhamento de próton-elétron.

“Decidimos projetar um novo tipo de experimento que lida com o problema usando uma abordagem totalmente nova”, disse Ashot Gasparian, professor da Universidade Estadual Agrícola e Técnica da Carolina do Norte e porta-voz do PRad, ao Gizmodo.

O experimento consiste em um feixe de elétrons atingindo gás hidrogênio resfriado criogenicamente, seguido por uma série de detectores que medem onde os elétrons terminam após a dispersão e suas energias. No final, há um buraco através do qual os elétrons não rebatidos passam.

Este método é melhor em relação a experimentos de espalhamento anteriores, medindo com mais precisão os elétrons que foram apenas ligeiramente dispersos pelos prótons. Além disso, ele usa detectores diferentes para medir as energias dos elétrons. Várias outras estratégias para aumentar a precisão do experimento também foram usadas, incluindo levar em conta os elétrons que se dispersam e construir o recipiente de gás hidrogênio sem janelas de entrada e saída que possam produzir ruído extra.

Os cientistas conseguiram extrair outra medida do raio: 0,831 femtômetros, o que bateu com a medição de Hessels, de acordo com o novo artigo publicado na Nature.

“Na minha opinião, o problema está encerrado após esse experimento”, disse ao Gizmodo Krzysztof Pachucki, professor da Universidade de Varsóvia que revisou o novo estudo, mas não esteve envolvido nele.

O que deu errado em 2010? Como uma medição derrubou décadas de medições anteriores? Ainda não está claro, disse Pachucki. Talvez outro valor incorreto tenha chegado à matemática usada para transformar os dados na medição do raio do próton.

Para resolver conclusivamente o problema do raio, será necessário descobrir se algo estava errado com essas experiências passadas e o que era. Quem diz isso são os físicos Jean-Philippe Karr, da Sorbonne Université, e Dominique Marchand, da Université Paris-Sud, que escreveram em um comentário publicado na Nature sobre o novo trabalho.

Os autores deste artigo não acham que o problema foi completamente resolvido. Bom, nenhum cientista iria dizer “o problema no qual trabalho está resolvido, agora não preciso mais trabalhar nele”. Várias outras experiências se juntarão às experiências do PRad, procurando novas maneiras de aumentar a precisão e confirmar o valor mais baixo. E mesmo que as pessoas concordem com um valor, talvez medições mais precisas revelem outras discrepâncias no raio de carga, além das habilidades dos experimentos atuais.

Você continuará vendo essas medições de precisão na física de partículas. É o caso do experimento do múon g-2, por exemplo. Os pesquisadores ainda vão buscar novas discrepâncias, que podem ser a chave para conhecimentos físicos não descobertos.

“O que queríamos fazer era realmente forçar o limite da precisão desse tipo de medida”, disse ao Gizmodo Haiyan Gao, professor da Duke University e porta-voz do PRad. “Talvez no futuro, se houver novas propriedades físicas, poderemos descobri-las.”