A equipe parisiense de pesquisadores realizou a medição mais precisa da constante de estrutura fina até o momento, tirando nossa esperança da existência de uma interação desconhecida na natureza.
A constante de estrutura fina foi introduzida em 1916 para quantificar o espaçamento entre duas linhas no espectro de cores emitido por certos átomos. Na foto, frequências densamente localizadas são visíveis através do ressonador Fabry - Perot.
Dentre as constantes fundamentais, a mais famosa é a velocidade da luz c. No entanto, seu valor numérico não nos diz nada sobre a natureza - depende das unidades de medida, sejam metros por segundo ou milhas por hora. Por outro lado, a constante de estrutura fina não tem dimensão. Este é um número absoluto que tem um tremendo impacto no universo. Richard Feynman escreveu que este é "um número mágico que encontramos sem qualquer compreensão." Paul Dirac considerou a origem desse número "o mais fundamental dos problemas não resolvidos da física".
O valor da constante de estrutura fina, denotada pela letra grega α, está muito próximo da fração 1/137. É freqüentemente encontrado em equações que descrevem o comportamento da luz e da matéria. “Na arquitetura, por exemplo, a proporção áurea é comum”, disse Eric Cornell , físico da Universidade do Colorado e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e ganhador do Nobel. “E na física da matéria de baixa energia - átomos, moléculas, química, biologia - há uma proporção constante de tamanhos maiores e menores. E essas proporções frequentemente acabam sendo graus de estrutura fina constante. "
A constante é onipresente porque descreve a intensidade da força eletromagnética que atua sobre as partículas carregadas - elétrons e prótons. “No mundo cotidiano, enfrentamos a gravidade ou o eletromagnetismo. É por isso que alfa é tão importante ”, disse Holger Mueller , físico da Universidade da Califórnia, Berkeley. 1/137 não é muito, e a influência do eletromagnetismo é fraca. Como resultado, as partículas carregadas formam átomos predominantemente vazios, nos quais os elétrons se movem em órbitas distantes e são facilmente arrancados delas. Isso leva à formação de ligações químicas. Por outro lado, a constante é grande o suficiente - se estivesse mais perto de 1/138, o carbono não seria criado nas estrelas e a vida familiar a nós não poderia aparecer.
Por quase um século, os físicos ficaram obcecados com o desejo de descobrir por que o valor de alfa acabou sendo assim. Mas hoje eles praticamente perderam o interesse por esta questão, e admitem que o valor das constantes fundamentais pode ser aleatório, determinado pelo lançamento dos dados cósmicos no nascimento do universo. Agora eles têm um novo objetivo.
Os físicos desejam medir o valor da constante de estrutura fina com a maior precisão possível. Por ser encontrado em toda parte, seu significado preciso permite que testem sua teoria da relação das partículas elementares. Ou seja, um magnífico conjunto de equações conhecido como Modelo Padrão de Física de Partículas... Qualquer discrepância em valores precisamente medidos relacionados uns aos outros pode indicar a existência de novas partículas ou efeitos não contabilizados pelas equações padrão. Cornell chama essas medições precisas de a terceira maneira de descobrir experimentalmente os princípios fundamentais do universo - depois dos aceleradores de partículas e telescópios.
Em dezembro de 2020, uma equipe de quatro físicos liderados por Saida Gelati-Khalifa do laboratório Kastler-Brossel em Paris publicou na Nature um novo artigo com a medição mais precisa da constante de estrutura fina até o momento. A equipe recebeu o valor de uma constante de até 11 dígitos: α = 1 / 137,035999206.
Com um erro de apenas 81 trilhões, o novo valor é três vezes mais preciso que o anterior , realizado em 2018 pelo principal competidor da equipe, o grupo Mueller, em Berkeley. Antes de Müller, Gelati-Khalifa recebeu o valor mais preciso naquela época em 2011. Sobre o novo valor recebido por seus rivais, Müller disse: “Três vezes é sério. Você pode chamar isso de uma conquista excelente sem muita hesitação. "
Saida Gelati-Khalifa em seu laboratório em Paris
Gelati Khalifa vem aprimorando seu experimento há 22 anos. Ele mede a constante de estrutura fina medindo a quantidade de deflexão dos átomos de rubídio quando eles absorvem um fóton. Müller faz o mesmo com os átomos de césio. A taxa de deflexão caracteriza a massa dos átomos de rubídio - em uma fórmula simples para a constante de estrutura fina, este é o termo mais difícil de medir. “O gargalo é sempre o valor medido com menos precisão, então qualquer melhoria nesta área leva a um refinamento da constante de estrutura fina”, explicou Müller.
Os pesquisadores parisienses começaram resfriando os átomos de rubídio até quase o zero absoluto e, em seguida, jogando-os em uma câmara de vácuo. Enquanto a nuvem de átomos descia, os pesquisadores usaram pulsos de laser para trazê-los a uma superposição quântica de dois estados - colidindo com um fóton e não colidindo. As duas versões prováveis de cada átomo moveram-se ao longo de caminhos separados até que novos pulsos de laser reuniram as metades da superposição novamente. Quanto mais o átomo desviava ao colidir com um fóton, mais ele se diferenciava em fase de sua outra versão, que não colidia com o fóton. Os pesquisadores mediram essa diferença calculando a taxa de deflexão. “A partir da taxa de deflexão, obtemos a massa do átomo, e a massa do átomo determina diretamente a constante de estrutura fina”, disse Gelati-Khalifa.
Em experimentos tão precisos, tudo conta. A primeira tabela do novo trabalho mostra o "orçamento de erros" - 16 fontes de possíveis erros e imprecisões que afetam o resultado final. Isso inclui a gravidade e a força de Coriolis devido à rotação da Terra, ambas cuidadosamente calculadas e levadas em consideração nas medições. A maior contribuição para o orçamento de erros vem das desvantagens do laser, que os cientistas vêm aprimorando constantemente há muitos anos.
A coisa mais difícil para Gelati Khalifa é descobrir quando parar e publicar os resultados. Ele e a equipe pararam em 17 de fevereiro de 2020 - quando o coronavírus estava ganhando força na França. Quando questionado se a decisão de um cientista sobre quando publicar uma obra é como os pensamentos de um artista sobre quando considerar uma pintura concluída. Gelati Khalifa respondeu: "Exatamente, precisamente, precisamente."
Foi uma surpresa que o resultado de suas medidas difere do resultado de Mueller de 2018 na décima posição após a vírgula - essa diferença é maior que o erro de ambas as medidas. Isso significa que, com exceção de diferenças fundamentais entre rubídio e césio, uma ou ambas as medições podem conter um erro não explicado. A medição do grupo parisiense é mais precisa, por isso tem uma vantagem por enquanto, mas ambas as equipes vão melhorar sua configuração experimental e tentar novamente.
Embora as duas medições sejam diferentes, elas estão próximas do valor alfa obtido a partir de medições precisas do fator g . elétron - uma constante associada ao seu momento magnético, na verdade, o torque que ele experimenta em um campo magnético. “A constante de estrutura fina pode ser relacionada ao fator g por meio de um grande conjunto de fórmulas”, disse Cornell. "E se não houvesse efeitos físicos suficientes nas equações do Modelo Padrão, obteríamos as respostas erradas."
Mas, na verdade, todas as medições estão em perfeita concordância, o que na maioria das vezes rejeita algumas suposições sobre a existência de novas partículas. A coincidência da melhor medida do fator g com a medida feita por Mueller em 2018 foi saudada como o maior triunfo do Modelo Padrão. O novo resultado de Gelati Khalifa é ainda melhor em linha com as expectativas. “Este é o melhor ajuste entre teoria e experimento”, disse ela.
Mesmo assim, ele e Mueller estão determinados a melhorar ainda mais os experimentos. A equipe de Berkeley mudou para um novo laser com um feixe mais amplo (o que tornará possível disparar de forma mais uniforme na nuvem de átomos de césio). A equipe parisiense planeja substituir a câmara de vácuo e fazer outras melhorias.
Que tipo de pessoa é preciso ser para gastar tanta energia em um resultado tão modesto? Gelati Khalifa citou três propriedades: "Você precisa ser escrupuloso, ardente e honesto consigo mesmo." Mueller disse: “Acho tudo muito interessante. Pessoalmente, adoro construir um equipamento novo e brilhante. E aplique-os a algumas coisas importantes. " Ele observou que ninguém pode construir sozinho um colisor de alta energia como o European Large Hadron Collider. Porém, ao montar um instrumento ultrapreciso, “é possível fazer medições importantes para a física fundamental, trabalhando apenas três ou quatro”.