Investigadores da
Universidade de Coimbra (UC), da Universidade de Aveiro e da
Universidade Nova de Lisboa integram uma equipa internacional que
mediu o raio do núcleo atómico do hélio com um nível de precisão
sem precedentes. Os resultados são publicados amanhã, dia 28
janeiro, na prestigiada revista científica Nature.
As experiências
utilizaram muões (partículas semelhantes aos eletrões e cerca de
200 vezes mais pesadas), e foram realizadas no Paul
Scherrer Institut
(PSI), Suíça, o único centro de investigação do mundo capaz de
produzir uma quantidade suficiente de muões para esta investigação.
A seguir ao
hidrogénio, o hélio é o segundo elemento mais abundante no
universo. Cerca de um quarto dos núcleos atómicos que se formaram
nos primeiros minutos após o Big Bang eram núcleos de hélio. Eles
são constituídos por quatro blocos de construção: dois protões e
dois neutrões. Do ponto de vista da física fundamental, é crucial
conhecer as propriedades do núcleo do hélio para, entre outros,
entender os processos de outros núcleos atómicos que são mais
pesados que o hélio.
Tal como tinha
acontecido com o protão, o conhecimento prévio sobre o núcleo de
hélio provém de experiências com eletrões. Esta colaboração
desenvolveu um novo método para a medição, utilizando muões em
vez de eletrões, que permitiu determinar o tamanho do núcleo do
hélio com uma precisão cerca de cinco vezes superior à das
anteriores medições. De acordo com os resultados obtidos, o
designado raio de carga médio do núcleo do hélio é 1,67824
fentómetros (há mil biliões de fentómetros num metro).
O conceito em que
assenta a nova metodologia é simples: num átomo “normal” são
eletrões que orbitam em torno do núcleo; nesta abordagem, os
eletrões são substituídos por um muão, formando um átomo
exótico, no presente caso o hélio muónico. O muão é considerado
o irmão do eletrão, mas cerca de 200 vezes mais pesado. Um muão
está muito mais fortemente ligado ao núcleo atómico do que um
eletrão e orbita em órbitas cerca de 200 vezes mais próximas do
núcleo. Consequentemente, o hélio muónico permite tirar conclusões
sobre a estrutura do núcleo atómico e medir suas propriedades.
Este trabalho de
investigação contou com a colaboração de 40 investigadores,
provenientes da Alemanha, entre os quais se destaca T. W. Hänsch,
prémio Nobel da Física de 2005, Suíça, França, Taiwan e
Portugal. Cinco investigadores são do Departamento de Física da
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (Luís
Fernandes, Fernando Amaro, Cristina Monteiro, Andreia Gouvea e
Joaquim Santos, o coordenador), três são da Universidade NOVA de
Lisboa (Jorge Machado, Pedro Amaro e José Paulo Santos, o
coordenador) e dois são da Universidade de Aveiro (Daniel Covita e
João Veloso, o coordenador).
A equipa
portuguesa deu uma contribuição decisiva para o sistema de deteção
dos raios-X emitidos pelos átomos muónicos, para o sistema de
controlo e monitorização da experiência e para a teoria.
O mistério do
raio do protão está a deslindar-se
Esta colaboração
internacional já tinha medido o raio do protão em 2010 utilizando a
mesma abordagem. Nessa altura, o valor medido diferia do obtido por
outros métodos de medição que utilizavam eletrões. Falou-se de um
mistério do raio do protão, e alguns especularam que uma nova
física poderia estar por trás disso na forma de uma interação até
então desconhecida entre o muão e o protão, diferente da interação
entre o eletrão e o protão.
Desta vez, não
há contradição entre o novo valor mais preciso e as medições
efetuadas com os outros métodos. Tal torna improvável a explicação
dos resultados recorrendo a “nova física” que vai além do
modelo padrão. Além do mais, os valores obtidos nas recentes
medições do raio do protão com eletrões aproximam-se do valor
medido por esta colaboração com muões, em 2010. De certa forma, o
enigma do mistério do raio do protão ainda existe, mas está
lentamente a deslindar-se.
Várias
aplicações
A medição deste
trabalho pode ser utilizada em vários contextos. Os nucleões
(constituinte dos núcleos) atómicos são mantidos juntos pela
designada interação forte, uma das quatro forças fundamentais da
física. Recorrendo à teoria que descreve a interação forte,
conhecida como cromodinâmica quântica, os físicos podem prever o
raio do núcleo do hélio e de outros núcleos atómicos leves com
alguns protões e neutrões. O valor agora medido, com elevada
precisão, do raio do núcleo de hélio coloca as previsões teóricas
à prova e possibilita o teste de novos modelos teóricos da
estrutura nuclear.
As medições do
hélio muónico também podem ser comparadas com as que são obtidas
em experiências em que são utilizados átomos e iões “normais”.
Ao comparar os resultados obtidos com as duas abordagens, pode-se
tirar conclusões sobre constantes naturais fundamentais, como a
constante de Rydberg, a constante da Física que foi determinada com
maior precisão, que está fortemente interligada com o tamanho do
protão e que desempenha um papel importante na mecânica quântica.
Uma
colaboração com uma longa tradição
Esta medição é
o resultado de 20 anos de colaboração comprovada entre institutos
de renome internacional, incluindo PSI, ETH Zurich, o Instituto Max
Planck de Ótica Quântica em Garching, o Institut für
Strahlwerkzeuge da Universidade de Stuttgart e o PRISMA + Cluster de
Excelência na Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, bem como o
Laboratório Kastler-Brossel em Paris, e as Universidades de Coimbra,
de Aveiro e Nova de Lisboa, em Portugal, e a Universidade Nacional
Tsing Hua, em Taiwan.
O trabalho foi
financiado pelo European
Research Council,
pela Swiss
National Science Foundation,
German
Research Foundation
e Fundação para a Ciência e a Tecnologia, entre outros.
A versão online
do artigo “The alpha particle charge radius from laser spectroscopy
of the muonic helium-4 ion”, pode ser consultada em:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03183-1.
