Uma equipe em Paris fez a medição mais precisa até agora da constante de estrutura fina, matando as esperanças de uma nova força da natureza.
Como constantes fundamentais, a velocidade da luz, c, goza de toda a fama, mas o valor numérico de c não diz nada sobre a natureza; ele difere dependendo se é medido em metros por segundo ou milhas por hora. A constante de estrutura fina, por outro lado, não tem dimensões ou unidades. É um número puro que molda o universo em um grau surpreendente ? “um número mágico que chega até nós sem compreensão”, como Richard Feynman o descreveu. Paul Dirac considerou a origem do número “o problema não resolvido mais fundamental da física”.
Numericamente, a constante de estrutura fina, denotada pela letra grega ? (alfa), aproxima-se muito da razão 1/137. Geralmente aparece em fórmulas que governam a luz e a matéria. “É como na arquitetura, há a proporção áurea”, disse Eric Cornell, físico ganhador do Prêmio Nobel da Universidade do Colorado, Boulder e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. “Na física da matéria de baixa energia ? átomos, moléculas, química, biologia ? há sempre uma proporção” de coisas maiores para coisas menores, disse ele. “Essas razões tendem a ser potências da constante de estrutura fina.”
A constante está em toda parte porque caracteriza a força da força eletromagnética que afeta partículas carregadas, como elétrons e prótons. “Em nosso mundo cotidiano, tudo é gravidade ou eletromagnetismo. E é por isso que alfa é tão importante”, disse Holger Müller, físico da Universidade da Califórnia, Berkeley. Como 1/137 é pequeno, o eletromagnetismo é fraco; como consequência, partículas carregadas formam átomos arejados cujos elétrons orbitam à distância e saltam facilmente para longe, permitindo ligações químicas. Por outro lado, a constante também é grande o suficiente: os físicos argumentam que, se fosse algo como 1/138, as estrelas não seriam capazes de criar carbono e a vida como a conhecemos não existiria.
Os físicos mais ou menos desistiram de uma obsessão secular sobre de onde vem o valor específico do alfa; eles agora reconhecem que as constantes fundamentais podem ser aleatórias, decididas em jogadas de dados cósmicos durante o nascimento do universo. Mas um novo objetivo assumiu.
Os físicos querem medir a constante de estrutura fina com a maior precisão possível. Por ser tão onipresente, medi-lo com precisão permite que eles testem sua teoria das inter-relações entre partículas elementares ? o majestoso conjunto de equações conhecido como Modelo Padrão da física de partículas. Qualquer discrepância entre medições ultraprecisas de quantidades relacionadas pode apontar para novas partículas ou efeitos não contabilizados pelas equações padrão. Cornell chama esses tipos de medições de precisão de uma terceira maneira de descobrir experimentalmente o funcionamento fundamental do universo, juntamente com colisores de partículas e telescópios.
Hoje, em um novo artigo na revista Nature, uma equipe de quatro físicos liderada por Saïda Guellati-Khélifa no Laboratório Kastler Brossel em Paris relatou a medição mais precisa até agora da constante de estrutura fina. A equipe mediu o valor da constante até a 11ª casa decimal, relatando que ? = 1/137,035999206.
Com uma margem de erro de apenas 81 partes por trilhão, a nova medição é quase três vezes mais precisa do que a melhor medição anterior em 2018 pelo grupo de Müller em Berkeley, a principal competição. (Guellati-Khélifa fez a medição mais precisa antes de Müller em 2011.) Müller disse sobre a nova medição de alfa de seu rival: “Um fator de três é um grande negócio. Não tenhamos vergonha de chamar isso de uma grande conquista.”
Guellati-Khélifa vem aprimorando seu experimento nos últimos 22 anos. Ela mede a constante de estrutura fina medindo a força com que os átomos de rubídio recuam quando absorvem um fóton. (Müller faz o mesmo com átomos de césio.) A velocidade de recuo revela quão pesados ??são os átomos de rubídio ? o fator mais difícil de medir em uma fórmula simples para a constante de estrutura fina. “É sempre a medição menos precisa que é o gargalo, portanto, qualquer melhoria nisso leva a uma melhoria na constante de estrutura fina”, explicou Müller.
Os experimentadores de Paris começam resfriando os átomos de rubídio quase até o zero absoluto, depois os soltando em uma câmara de vácuo. À medida que a nuvem de átomos cai, os pesquisadores usam pulsos de laser para colocar os átomos em uma superposição quântica de dois estados ? chutados por um fóton e não chutados. As duas versões possíveis de cada átomo viajam em trajetórias separadas até que mais pulsos de laser reúnam as metades da superposição. Quanto mais um átomo recua quando chutado pela luz, mais fora de fase ele fica com a versão não chutada de si mesmo. Os pesquisadores medem essa diferença para revelar a velocidade de recuo dos átomos. “A partir da velocidade de recuo, extraímos a massa do átomo, e a massa do átomo está diretamente envolvida na determinação da constante de estrutura fina”, disse Guellati-Khélifa.
Em experimentos tão precisos, cada detalhe importa. A Tabela 1 do novo artigo é um “orçamento de erro” listando 16 fontes de erro e incerteza que afetam a medição final. Isso inclui a gravidade e a força de Coriolis criada pela rotação da Terra ? ambas meticulosamente quantificadas e compensadas. Grande parte do orçamento de erros vem de pontos fracos do laser, que os pesquisadores passaram anos aperfeiçoando.
Para Guellati-Khélifa, a parte mais difícil é saber quando parar e publicar. Ela e sua equipe pararam na semana de 17 de fevereiro de 2020, quando o coronavírus estava ganhando terreno na França. Questionado se decidir publicar é como um artista decidir que uma pintura está pronta, Guellati-Khélifa disse: “Exatamente. Exatamente. Exatamente.”
Surpreendentemente, sua nova medição difere do resultado de Müller de 2018 no décimo dígito, uma discrepância maior do que a margem de erro de qualquer medição. Isso significa – salvo alguma diferença fundamental entre rubídio e césio – que uma ou ambas as medições têm um erro não contabilizado. A medição do grupo de Paris é a mais precisa, por isso tem precedência por enquanto, mas ambos os grupos melhorarão suas configurações e tentarão novamente.
Embora as duas medidas sejam diferentes, elas coincidem de perto com o valor de alfa inferido a partir de medidas precisas do fator g do elétron, uma constante relacionada ao seu momento magnético ou ao torque que o elétron experimenta em um campo magnético. “Você pode conectar a constante de estrutura fina ao fator g com muita matemática”, disse Cornell. “Se houver algum efeito físico faltando nas equações [do Modelo Padrão], estaríamos errando na resposta.”
Em vez disso, as medições combinam perfeitamente, descartando em grande parte algumas propostas para novas partículas. A concordância entre as melhores medições do fator g e a medição de 2018 de Müller foi aclamada como o maior triunfo do Modelo Padrão. O novo resultado de Guellati-Khélifa é uma partida ainda melhor. “É o acordo mais preciso entre teoria e experimento”, disse ela.
E, no entanto, ela e Müller começaram a fazer mais melhorias. A equipe de Berkeley mudou para um novo laser com um feixe mais amplo (permitindo atingir sua nuvem de átomos de césio de maneira mais uniforme), enquanto a equipe de Paris planeja substituir sua câmara de vácuo, entre outras coisas.
Que tipo de pessoa coloca um esforço tão grande em melhorias tão escassas? Guellati-Khélifa nomeou três características: “Você precisa ser rigoroso, apaixonado e honesto consigo mesmo”. Müller disse em resposta à mesma pergunta: “Acho emocionante porque adoro construir máquinas bonitas e brilhantes. E adoro aplicá-los a algo importante.” Ele observou que ninguém pode construir sozinho um colisor de alta energia como o Grande Colisor de Hádrons da Europa. Mas ao construir um instrumento ultrapreciso em vez de um superenergético, disse Müller, “você pode fazer medições relevantes para a física fundamental, mas com três ou quatro pessoas”.
Publicado em 01/04/2022 12h18
Artigo original:
Estudo original: