Estudo da Universidade de Bonn e da TU Darmstadt sugere erros na interpretação de medições mais antigas.

O próton (vermelho) tem um raio de 0,84 femtômetros (fm). Também são mostrados na figura os três quarks que compõem o próton e os glúons que os mantêm juntos. Crédito da imagem: Dr. Yong-Hui Lin/Universidade de Bonn

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Alguns anos atrás, uma nova técnica de medição mostrou que os prótons são provavelmente menores do que se supunha desde a década de 1990. A discrepância surpreendeu a comunidade científica; alguns pesquisadores até acreditavam que o Modelo Padrão da física de partículas teria que ser mudado. Físicos da Universidade de Bonn e da Universidade Técnica de Darmstadt desenvolveram agora um método que lhes permite analisar os resultados de experimentos mais antigos e mais recentes de forma muito mais abrangente do que antes. Isso também resulta em um raio de próton menor dos dados mais antigos. Portanto, provavelmente não há diferença entre os valores, não importa em qual método de medição eles se baseiem. O estudo foi publicado na Physical Review Letters.

A matéria é composta de átomos, que por sua vez são compostos de elétrons, prótons e nêutrons. Os elétrons são carregados negativamente; de acordo com o conhecimento atual, eles não têm expansão, mas são pontuais. Os prótons carregados positivamente são diferentes, de acordo com as medições atuais, seu raio é de 0,84 femtômetros (um femtômetro é um quadrilionésimo de um metro (10^-15)).

Até alguns anos atrás, no entanto, pensava-se que eram 0,88 femtômetros, uma pequena diferença que causou bastante agitação entre os especialistas. Porque não era tão fácil de explicar. Alguns especialistas até consideraram que era uma indicação de que o modelo padrão da física de partículas estava errado e precisava ser modificado. "No entanto, nossas análises indicam que essa diferença entre os valores antigos medidos e novos não existe", explica o Prof. Dr. Ulf Meißner do Instituto Helmholtz de Radiação e Física Nuclear da Universidade de Bonn. "Em vez disso, os valores mais antigos estavam sujeitos a um erro sistemático que foi significativamente subestimado até agora".

Jogando bilhar no cosmos de partículas

Para determinar o raio de um próton, pode-se bombardeá-lo com um feixe de elétrons em um acelerador. Quando um elétron colide com o próton, ambos mudam sua direção de movimento, semelhante à colisão de duas bolas de bilhar. Em física, esse processo é chamado de espalhamento elástico. Quanto maior o próton, mais frequentemente ocorrem tais colisões. Sua expansão pode, portanto, ser calculada a partir do tipo e extensão do espalhamento.

Quanto maior a velocidade do feixe de elétrons, mais precisas as medições. No entanto, isso também aumenta o risco de que o elétron e o próton formem novas partículas quando colidem. " Em altas velocidades ou energias, isso acontece cada vez mais frequentemente", explica Meißner. "Por sua vez, os eventos de espalhamento elástico estão se tornando mais raros. Portanto, para medições do tamanho do próton, até agora só se utilizou dados do acelerador em que os elétrons tinham uma energia relativamente baixa."

Em princípio, no entanto, colisões que produzem outras partículas também fornecem informações importantes sobre a forma do próton. O mesmo é verdade para outro fenômeno que ocorre em altas velocidades de feixe de elétrons, a chamada aniquilação elétron-pósitron. "Desenvolvemos uma base teórica com a qual tais eventos também podem ser usados para calcular o raio do próton", diz o Prof. Dr. Hans-Werner Hammer da TU Darmstadt. "Isso nos permite levar em conta dados que até agora foram deixados de fora."

Cinco por cento menor do que suposto há 20 anos

Usando esse método, os físicos reanalisaram leituras de experimentos mais antigos e muito recentes, incluindo aqueles que anteriormente sugeriam um valor de 0,88 femtômetros. Com seu método, no entanto, os pesquisadores chegaram a 0,84 femtômetros; este é o raio que também foi encontrado em novas medições baseadas em uma metodologia completamente diferente.

Assim, o próton realmente parece ser cerca de 5% menor do que se supunha nas décadas de 1990 e 2000. Ao mesmo tempo, o método dos pesquisadores também permite novos insights sobre a estrutura fina dos prótons e seus irmãos não carregados, os nêutrons. Então, está nos ajudando a entender um pouco melhor a estrutura do mundo ao nosso redor, a cadeira, o ar, mas também as estrelas no céu noturno.

Mais informações:

Yong-Hui Lin, Hans-Werner Hammer e Ulf-G. Meißner: Novos insights sobre a estrutura eletromagnética do núcleon; Cartas de Revisão Física, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.052002

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Referência:

Protons are probably actually smaller than long thought. Universidade de Bonn, 04, fev. 2022. Disponível em: <https://www.uni-bonn.de/en/news/020-2022>. Acesso em: 09, fev. 2022.