Quebra-cabeça do raio do próton - Proton radius puzzle
O quebra - cabeça do raio do próton é um problema sem resposta na física relacionado ao tamanho do próton . Historicamente, o protão raio de carga foi medida por dois métodos independentes, que convergentes para um valor de cerca de 0,877 femtometres (1 fm = 10 -15 m). Este valor foi desafiado por um experimento de 2010 usando um terceiro método, que produziu um raio cerca de 4% menor do que este, em 0,842 femtometres. Novos resultados experimentais relatados no outono de 2019 concordam com a medição menor. Embora alguns acreditem que essa diferença foi resolvida, essa opinião ainda não é universalmente sustentada.
Problema
Antes de 2010, o raio de carga do próton era medido usando um de dois métodos: um baseado em espectroscopia e outro baseado em espalhamento nuclear.
Método de espectroscopia
O método de espectroscopia usa os níveis de energia dos elétrons que orbitam o núcleo. Os valores exatos dos níveis de energia são sensíveis ao raio nuclear. Para o hidrogênio, cujo núcleo consiste apenas em um próton, isso mede indiretamente o raio do próton. As medições dos níveis de energia do hidrogênio são agora tão precisas que o raio do próton é o fator limitante na comparação de resultados experimentais com cálculos teóricos. Este método produz um raio de próton de cerca de(8,768 ± 0,069) × 10 −16 m (ou0,8768 ± 0,0069 fm ), com cerca de 1% de incerteza relativa.
Espalhamento nuclear
O método nuclear é semelhante aos experimentos de espalhamento de Rutherford que estabeleceram a existência do núcleo. Partículas pequenas, como elétrons, podem ser disparadas contra um próton, e medindo como os elétrons são espalhados, o tamanho do próton pode ser inferido. Consistente com o método de espectroscopia, isso produz um raio de próton de cerca de(8,775 ± 0,005) × 10 −16 m (ou0,8775 fm ).
Experimento de 2010
Em 2010, Pohl et al. publicou os resultados de um experimento baseado no hidrogênio muônico em oposição ao hidrogênio normal. Conceitualmente, é semelhante ao método de espectroscopia. No entanto, a massa muito maior de um múon faz com que ele orbite 207 vezes mais perto do que um elétron do núcleo de hidrogênio, onde é, conseqüentemente, muito mais sensível ao tamanho do próton. O raio resultante foi registrado como0,842 ± 0,001 fm , 5 desvios padrão (5σ) menores do que as medições anteriores. O raio recém-medido é 4% menor do que as medições anteriores, que se acreditava serem precisas em 1%. (O limite de incerteza da nova medição de apenas 0,1% faz uma contribuição insignificante para a discrepância.)
Desde 2010, medições adicionais usando elétrons com os métodos anteriores reduziram ligeiramente o raio estimado para (8,751 ± 0,061) × 10 −16 m (0,8751 ± 0,0061 fm ), mas ao reduzir a incerteza ainda mais a discordância com o experimento do hidrogênio muônico piorou para mais de 7σ.
Um experimento de acompanhamento por Pohl et al. em agosto de 2016, usou um átomo de deutério para criar o deutério muônico e mediu o raio do deutério. Este experimento permitiu que as medições fossem 2,7 vezes mais precisas, mas também encontrou uma discrepância de 7,5 desvios padrão menor do que o valor esperado. Em 2017, o grupo de Pohl realizou mais um experimento, desta vez usando átomos de hidrogênio que foram excitados por dois lasers diferentes. Ao medir a energia liberada quando os elétrons excitados voltaram para estados de energia mais baixa, a constante de Rydberg pode ser calculada e, a partir disso, inferido o raio do próton. O resultado é novamente cerca de 5% menor do que o raio de próton geralmente aceito. Em 2019, outro experimento relatou uma medição do tamanho do próton usando um método que era independente da constante de Rydberg - seu resultado, 0,833 femtômetros, concordou com o valor menor de 2010 mais uma vez.
Resoluções propostas
A anomalia permanece sem solução e é uma área ativa de pesquisa. Ainda não há razão conclusiva para duvidar da validade dos dados antigos. A preocupação imediata é que outros grupos reproduzam a anomalia.
A natureza incerta da evidência experimental não impediu os teóricos de tentar explicar os resultados conflitantes. Entre as explicações postuladas estão a força de três corpos , as interações entre a gravidade e a força fraca , ou uma interação dependente do sabor , a gravidade de dimensão mais elevada , um novo bóson e o quase-livre
π+
hipótese.
Artefato de medição
Randolf Pohl, o investigador original do quebra-cabeça, afirmou que, embora fosse "fantástico" se o quebra-cabeça levasse a uma descoberta, a explicação mais provável não é a nova física, mas algum artefato de medição. Sua suposição pessoal é que as medições anteriores avaliaram incorretamente a constante de Rydberg e que o tamanho oficial do próton atual é impreciso.
Cálculo cromodinâmico quântico
Em um artigo de Belushkin et al . (2007) incluindo diferentes restrições e cromodinâmica quântica perturbativa previu um raio de próton menor do que 0,877 femtometres, que era o valor aceito na época.
Extrapolação do raio do próton
Artigos de 2016 sugeriram que o problema estava nas extrapolações que normalmente eram usadas para extrair o raio do próton dos dados de espalhamento de elétrons, embora essa explicação exigisse que houvesse também um problema com as medições de deslocamento atômico de Lamb.
Método de análise de dados
Em uma das tentativas de resolver o quebra-cabeça sem uma nova física, Alarcón, et al . (2018), no Laboratório de Jefferson, propôs que uma técnica diferente para ajustar os dados de espalhamento experimental de uma maneira teoricamente, bem como analiticamente justificada, produz um raio de carga de próton a partir dos dados de espalhamento de elétrons existentes que é consistente com a medição de hidrogênio muônico. Efetivamente, esta abordagem atribui a causa do quebra-cabeça do raio do próton a uma falha no uso de uma função motivada teoricamente para a extração do raio de carga do próton dos dados experimentais. Outro artigo recente apontou como uma mudança simples, mas motivada pela teoria, para ajustes anteriores também fornecerá o raio menor.
Problemas de referencial relativístico
Outros pesquisadores sugeriram que a análise usada para o raio de carga do próton baseado em elétrons pode não considerar apropriadamente os quadros restantes dos diferentes componentes dos experimentos, à luz da relatividade especial. Fatores de polarização no hidrogênio muônico que não são materiais no hidrogênio comum também foram propostos como uma solução possível.
Ainda outro artigo em abril de 2019 sugeriu que a relatividade de escala pode fornecer uma resposta com base nos tamanhos relativísticos de prótons e múons.
Medições de 2019
Em setembro de 2019, Bezginov et al. relataram a nova medição do raio de carga do próton para o hidrogênio eletrônico e encontraram um resultado consistente com o valor de Pohl para o hidrogênio muônico. Em novembro, W. Xiong et al. relataram um resultado semelhante usando espalhamento de elétrons de transferência de momento extremamente baixo.
Seus resultados apóiam o menor raio de carga do próton, mas não explicam por que os resultados anteriores a 2010 foram maiores. É provável que experimentos futuros sejam capazes de explicar e resolver o quebra-cabeça do raio do próton.