Surpresa! O próton é mais leve do que pensávamos

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Um modelo mostra prótons e nêutrons amontoados em um núcleo atômico. Crédito: carloscastilla/iStockphot.

Artigo traduzido de Science. Autor: Gabriel Popkin.

Você não pode pesar as partículas mais pequenas do universo em uma balança de banheiro. Mas em uma nova e inteligente experiência, os físicos descobriram que uma dessas partículas – o próton – é mais leve do que se pensava anteriormente.

“É uma melhoria significativa na massa do próton”, diz Edmund Myers, físico da Universidade Estadual da Flórida em Tallahassee, que não estava envolvido com o trabalho. “Não consigo ver nenhum buraco no que eles fizeram. Eles fizeram um bom trabalho.”

As pequenas partículas carregadas positivamente conhecidas como prótons estão em todo lugar. Eles habitam o centro de cada átomo e compõem a maioria do Sol e outras estrelas. Eles são tão leves – apenas bilionésimos de bilionésimos de quilo – que não podem ser pesados ​​por meios comuns. Mas nas últimas décadas, os físicos combinaram fortes campos elétricos e magnéticos em um dispositivo chamado Penning trap para medir a massa do próton mais e mais precisamente. Nessas experiências, os campos elétricos e magnéticos prendem o próton enquanto o campo magnético o força a se mover em um círculo. Enquanto gira, o próton irá vibrar, ou oscilar, em uma frequência que está relacionada à sua massa. Os pesquisadores podem calcular a massa do próton medindo essa frequência e comparando-a com uma referência – tipicamente, o núcleo de um átomo de carbono-12, que é definido como 12 unidades de massa atômica.

Mas nenhuma experiência é perfeita. Os campos magnéticos variam no tempo e espaço, causando pequenos erros de medição. Para reduzir o impacto dessas flutuações, um grupo de físicos que trabalhavam em Mainz, na Alemanha, carregou o núcleo de carbono e o próton em armadilhas de armazenamento separadas, depois os transportou rapidamente para dentro e para fora da armadilha de medição. Apesar de trocar o núcleo e o próton exigir mais de 30 minutos em experimentos anteriores, o grupo alemão precisou apenas de cerca de 3 minutos – limitando as chances de acumulação de erros. A equipe também adicionou mais detectores de movimento à sua configuração, levando a uma medição com uma precisão global de 32 partes por trilhão.

Os pesquisadores descobriram que a massa era 1.007276466583 unidades de massa atômica. Isso é aproximadamente 30 bilionésimos de um percentual menor do que o valor médio de experiências passadas – uma diferença aparentemente pequena que é realmente significativa por três desvios padrão, a equipe relata esta semana na Physical Review Letters (em comparação, os cientistas normalmente consideram dois desvios-padrão suficientes para que um resultado experimental seja estatisticamente significativo).

Sven Sturm, físico do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, Alemanha, e líder do grupo, não tem certeza de porquê outros pesquisadores mediram massas tão altas, mas ele suspeita de fontes ocultas de erro. Ele acrescenta, no entanto, que o resultado de sua equipe concorda melhor do que os anteriores, com medidas recentes da massa do átomo de hélio-3, que é composto de dois prótons e um nêutron.

A equipe alemã planeja ainda aumentar a precisão medindo o próton e o íon de carbono simultaneamente em armadilhas separadas, o que eliminaria a incerteza devido às flutuações do campo magnético. Um membro do grupo também tentará pesar o antipróton – o doppelganger carregado negativamente. Mesmo uma pequena diferença entre as massas do próton e do antipróton poderia ajudar a explicar por que o universo que vemos é feito de matéria e a antimatéria é extremamente rara.

Sturm também quer que outros grupos de pesquisa façam medições independentes, para garantir que os resultados da sua equipe não sofram de algum erro oculto (os dois grupos principais que forneciam medições anteriores não estão mais ativos). “Eu ficaria muito feliz em ver mais grupos fazendo medições a esse nível de precisão, então podemos realmente comparar valores e descobrir, espero, que eles sejam consistentes” ele diz.

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