A medição mais precisa até agora da razão de massa próton-elétron sugere que o próton pode ser mais leve do que se pensava anteriormente. O resultado, de pesquisadores da Holanda e da França, fornece uma verificação cruzada independente e crucial com medições anteriores da proporção, que produziram valores inconsistentes.
A razão de massa próton-elétron é uma quantidade importante na física e uma referência para a teoria molecular. Ele pode ser determinado medindo as rotações e vibrações de íons de hidrogênio molecular comuns (H2 +) e comparando-os com medições ro-vibracionais semelhantes em seus primos deuterados (HD +). Ambas as entidades são os sistemas vinculados mais simples que podem ser chamados de “moléculas” e, como tal, são ideais para modelos de sondagem da física fundamental. De fato, quando os pesquisadores realizaram medições de transições ro-vibracionais em HD + 40 anos atrás, eles sugeriram que os resultados poderiam ser usados para testar a teoria da eletrodinâmica quântica (QED) em moléculas.
Determinação mais precisa da razão de massa próton-elétron
Medições recentes das massas atômicas relativas de núcleos atômicos leves – incluindo deuterons e hélions (núcleos de hélio-3), bem como prótons -, no entanto, descobriram valores que diferem dos resultados anteriores por vários desvios-padrão. Por exemplo, uma medição de massa de prótons feita em 2017 usando um método tradicional, espectrometria de massa Penning-trap, determinou a massa com uma precisão de 32 partes por trilhão (ppt). Embora a precisão dessa medição fosse três vezes maior do que o valor aceito anteriormente (denominado CODATA-2014), o valor real medido foi quase 300 ppt menor.
“Este valor foi tomado junto com os valores anteriores para calcular o valor CODATA 2018 da massa do próton, mas todas as margens de incerteza tiveram que ser esticadas por um fator de 1,7 para cobrir a diferença”, explica o líder da equipe de estudo Jeroen Koelemeij da Universidade VU em Amsterdam. “Isso atualmente limita a precisão da razão de massa próton-elétron ‘oficial’ a 60 ppt – e afeta os cálculos teóricos de HD + em um nível semelhante.”
Em seu novo trabalho, Koelemeij e colegas usaram uma técnica diferente, espectroscopia de laser de dois fótons livre de Doppler de íons HD + presos, para medir uma razão de massa próton-elétron de 1.836.152 673 406 (38), onde os colchetes contêm a incerteza estatística. Com uma precisão de 21 ppt, esta medição é a determinação mais precisa da razão de massa próton-elétron até agora – um registro compartilhado com um valor muito recente obtido a partir de rotações de HD + em um experimento simultâneo em Düsseldorf, Alemanha.
Livrando-se do efeito Doppler
Em medições como essas, Koelemeij explica que o efeito Doppler – a aparente desafinação da frequência do laser da ressonância com o íon HD +, dependendo da velocidade do íon – é um incômodo. Mesmo nas temperaturas muito baixas (10 mK acima do zero absoluto) que prevalecem em sua armadilha experimental, as moléculas na armadilha ainda podem se mover. Para eliminar o efeito Doppler inteiramente, os íons teriam, idealmente, de ser totalmente paralisados – uma impossibilidade experimental.
“Felizmente, a mecânica quântica perdoa”, diz Koelemeij. “Se quisermos que um laser ‘veja’ uma partícula em repouso, só precisamos garantir que ela não se mova mais do que o comprimento de onda da luz do laser” – uma condição conhecida como limite de Lamb-Dicke.
Koelemeij e seus colegas encontraram essa condição de forma indireta, projetando dois lasers na molécula em direções opostas. Quando os comprimentos de onda desses feixes de laser em contra-propagação são ajustados para os valores corretos, a molécula absorverá um fóton de cada feixe e, com efeito, adicionará a energia de ambos os fótons à sua própria energia vibracional. A transição de “dois fótons” resultante entre os níveis de energia da molécula tem um comprimento de onda aparente igual à diferença entre os dois comprimentos de onda do laser. “Como os dois lasers têm quase os mesmos comprimentos de onda, o comprimento de onda aparente se torna muito grande – maior do que o volume no qual os íons HD + estão confinados”, explica Koelemeij. “De acordo com a mecânica quântica, os íons parecem estar parados: sem efeito Doppler.”
Com o efeito Doppler removido, a verdadeira pureza das vibrações se torna visível, disse Koelemeij ao Physics World. Na verdade, as vibrações das moléculas sob essas circunstâncias são quase tão puras quanto as oscilações nos melhores relógios atômicos – o que significa que podem ser medidas com alta precisão.
Outra vantagem da técnica é que, com o uso de dois fótons, os pesquisadores podem selecionar as vibrações moleculares de forma relativamente insensível aos campos magnéticos, o que ajuda a melhorar a precisão da medição.
A teoria QED funciona para moléculas
O novo trabalho, que é detalhado na Science, confirma que o QED, que tem muito sucesso na descrição de partículas únicas e átomos, também funciona para matérias mais complexas, como moléculas simples – algo que Koelemeij diz não estar claro. “Embora tenha havido comparações (e concordância) entre a teoria das moléculas QED (notadamente o íon HD +) e o experimento, os experimentos nunca foram mais precisos do que a teoria”, explica ele. “Isso significa que os melhores detalhes do cálculo da teoria não puderam ser testados.”
O novo resultado, diz ele, virou a situação de ponta-cabeça. Pela primeira vez, as medições experimentais dessas vibrações moleculares são significativamente mais precisas do que os valores gerados pela teoria – o que significa que as previsões teóricas agora podem ser testadas em toda a extensão. Além do mais, as previsões da teoria podem ser usadas como uma ferramenta para traduzir as vibrações medidas em um novo valor da razão de massa próton-elétron – como previsto há mais de quatro décadas.
“Curiosamente, a proporção de massa próton-elétron que medimos é de fato compatível com as medições recentes da massa do próton, que foram inesperadamente menores do que os valores de referência anteriores”, acrescenta Koelemeij. “Isso significa que o próton realmente parece ser mais leve do que pensávamos.”
As medições muito precisas em HD + também podem ajudar a resolver vários mistérios importantes e muito debatidos na física, incluindo o quebra-cabeça de por que o raio do próton parece ser menor do que o esperado. Conhecer a massa do próton (e do anti-próton) com alta precisão também pode ajudar os pesquisadores a entender por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo, embora se acredite que quantidades iguais de cada um tenham sido criadas no Big Bang.
Publicado em 24/08/2020 05h37
Artigo original:
Estudo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: