O tamanho faz a diferença!

Segundo a revista Nature o artigo sobre o tamanho do protão publicado a 8 de Julho encontra-se no top 10 dos artigos mais descarregados desse mês. Este artigo apresenta os resultados relativos a um conjunto de experiências que indicam que o protão é cerca de 4% mais pequeno do que se pensava até então.

O protão é uma partícula subatómica, que se encontra no núcleo dos átomos. Até agora pensava-se que o protão tinha um diâmetro de 0,8768 fm. Mas o novo estudo indica que o diâmetro do protão é de apenas 0,8418 fm. E o novo método é cerca de 10 vezes mais preciso.

Para além de protões o núcleo dos átomos também tem neutrões (sem carga). Em torno do núcleo movem-se electrões, que têm carga negativa. Cada átomo tem o mesmo número de protões e de electrões. Os átomos de hidrogénio são os mais simples: possuem apenas um protão e um electrão. A figura seguinte é uma representação simplificada da estrutura de um átomo de hélio.


A determinação do tamanho do protão foi feita recorrendo a uma técnica imaginada à já 40 anos, mas que só agora, através da cooperação de 32 investigadores de três continentes, foi possível tornar realidade. A nova técnica permite o estudo de um tipo especial de hidrogénio, chamado hidrogénio muónico, em que o electrão é substituído por um muão. O muão tem a mesma carga que o electrão, mas é 200 vezes mais “pesado”. É a massa “extra” do muão que permite uma determinação mais precisa do tamanho do protão.

O novo valor do diâmetro do protão coloca algumas questões muito importantes a nível da Física Quântica. Porque o valor de uma das constantes fundamentais da Física, a constante de Rydberg, é calculado com base no tamanho do protão.

A constante de Rydberg é utilizada para calcular as riscas do espectro de emissão de cada elemento químico, funcionando como uma espécie de bilhete de identidade. Os espectros foram utilizados para identificar novos elementos (como foi caso da descoberta do césio e o rubídio) e actualmente são utilizados para identificar os elementos presentes nas estrelas (o hélio foi identificado como novo elemento a partir da análise de um espectro de emissão da luz do Sol). A figura seguinte é o espectro de emissão do hélio. Crédito: Jan Homann/Wikicommons.

A revisão do cálculo das riscas de um espectro esconde um problema bem mais grave para a Física Quântica. A interacção entre as diferentes partículas subatómicas e entre estas e a radiação electromagnética (ou seja a luz) tem sido explicada pela Teoria da Quântica Electrodinâmica, ou QED (do inglês Quantum Electrodynamics).

A revisão do cálculo das riscas de um espectro esconde um problema bem mais grave para a Física Quântica, que estuda as partículas subatómicas tendo por base a Teoria da Quântica Electrodinâmica, ou QED (do inglês Quantum Electrodynamics).

A QED estuda a interacção de partículas subatómicas entre si e com a radiação electromagnética (ou seja a luz). É considerada por muitos a teoria científica mais bem sucedida actualmente, porque fez previsões confirmadas por diferentes experiências práticas e porque permite calcular valores teóricos muito próximos dos valores reais. Esse era, até 8 de Julho, o caso do valor do tamanho do protão. No entanto o novo valor, apresentado no artigo, é muito diferente do valor teórico calculado usando a QED.

Os novos resultados apresentados no artigo da Nature não invalidam obrigatoriamente a QED, mas exigem novos estudos, teóricos e práticos, para determinar o que “poderá estar mal”.

A figura seguinte apresenta parte do aparelho utilizado. Ao centro encontra-se a câmara onde é colocado uma amostra de hidrogénio. Essa amostra é bombardeada por um raio de muões, que passa através de eléctrodos em forma anéis à esquerda da câmara. (Crédito fotográfico: Randolf Pohl / MPI of Quantum Optics.)

Alguns destes muões substituem os electrões dos átomos de hidrogénio. A substituição é detectada por um detector e imediatamente a seguir é disparado um laser com uma “cor” (frequência /comprimento de onda) pré-definida. Os átomos de hidrogénio muónico libertam então uma luz que é medida por um sistema de detecção de Raios X. Todo o processo tem de ser muito, muito rápido, porque os muões têm um tempo de vida de 2,2 milisegundos.

Os resultados obtidos pelo sistema de detecção de Raios X são utilizados para o cálculo do diâmetro do protão. Este sistema foi desenvolvido por uma equipa de 8 investigadores portugueses, das universidades de Aveiro e de Coimbra, coordenados por Joaquim Santos.


P.S.: 1,0 fm = 0, 000 000 000 000 001 m!