Uma equipe em Paris fez a medição mais precisa já feita da constante de estrutura fina, matando as esperanças de uma nova força da natureza.
Conforme as constantes fundamentais vão, a velocidade da luz, c, goza de toda a fama, mas o valor numérico de c não diz nada sobre a natureza; 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 nenhuma 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 α (alfa), chega muito perto da razão 1/137. Geralmente aparece em fórmulas que governam a luz e a matéria. “É como na arquitetura, existe 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 relações tendem a ser potências da constante de estrutura fina.”
A constante está em todo lugar porque caracteriza a intensidade da força eletromagnética que afeta as 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, as partículas carregadas formam átomos aéreos cujos elétrons orbitam à distância e pulam facilmente, permitindo ligações químicas. Por outro lado, a constante também é grande o suficiente: os físicos argumentaram 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 centenária sobre de onde vem o valor particular de alfa; eles agora reconhecem que as constantes fundamentais podem ser aleatórias, decididas em jogadas de dados cósmicos durante o nascimento do universo. Mas uma nova meta assumiu.
Os físicos desejam 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 as partículas elementares – o majestoso conjunto de equações conhecido como o Modelo Padrão da física de partículas. Qualquer discrepância entre as medições ultra-precisas 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, junto com colisores de partículas e telescópios.
Hoje, em um novo artigo na revista Nature, uma equipe de quatro físicos liderados 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 α = 1 / 137,03599920611. (Os dois últimos dígitos são incertos.)
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 tem aprimorado sua experiência 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 os átomos de césio.) A velocidade de recuo revela quão pesados os átomos de rubídio são – 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, então qualquer melhoria nisso leva a uma melhoria na constante de estrutura fina”, explicou Müller.
Os pesquisadores de Paris começam resfriando os átomos de rubídio quase até o zero absoluto e depois os colocam em uma câmara de vácuo. Enquanto 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 é chutado pela luz, mais desfasado ele fica em relação à versão não chutada de si mesmo. Os pesquisadores medem essa diferença para revelar a velocidade de recuo dos átomos. “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, todos os detalhes são importantes. A Tabela 1 do novo documento 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 para erros vem das fraquezas do laser, que os pesquisadores passaram anos aperfeiçoando.
Para Guellati-Khélifa, o mais difícil é saber quando parar e publicar. Ela e sua equipe pararam na semana de 17 de fevereiro de 2020, bem quando o coronavírus estava ganhando espaço na França. Questionado se decidir publicar é como um artista decidir que uma pintura está terminada, Guellati-Khélifa disse: “Exatamente. Exatamente. Exatamente.”
Surpreendentemente, sua nova medição difere do resultado de Müller em 2018 no sétimo dígito, uma discrepância maior do que a margem de erro de qualquer uma das medições. Isso significa – exceto alguma diferença fundamental entre rubídio e césio – que uma ou ambas as medições apresentam um erro não explicado. A medição do grupo de Paris é a mais precisa, por isso tem precedência por enquanto, mas ambos os grupos irão melhorar suas configurações e tentar novamente.
Embora as duas medições sejam diferentes, elas correspondem estreitamente ao valor de alfa inferido a partir de medições precisas do fator g do elétron, uma constante relacionada ao seu momento magnético ou o 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 ausente nas equações [do modelo padrão], estaremos recebendo a resposta errada.”
Em vez disso, as medições combinam perfeitamente, descartando em grande parte algumas propostas de novas partículas. A concordância entre as melhores medições do fator g e a medição de Müller em 2018 foi saudada como o maior triunfo do Modelo Padrão. O novo resultado de Guellati-Khélifa é uma combinação ainda melhor. “É o acordo mais preciso entre teoria e experimento”, disse ela.
Mesmo assim, ela e Müller começaram a fazer mais melhorias. A equipe de Berkeley mudou para um novo laser com um feixe mais amplo (permitindo que atinja 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 tanto esforço em melhorias tão escassas? Guellati-Khélifa citou três características: “Você tem que ser rigoroso, apaixonado e honesto consigo mesmo”. Müller disse em resposta à mesma pergunta: “Acho que é empolgante 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, Müller disse, “você pode fazer medições relevantes para a física fundamental, mas com três ou quatro pessoas”.
Publicado em 04/12/2020 17h09
Artigo original:
Estudo original: