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Precisão sem precedentes em eletrodinâmica quântica: salto gigante para resolver o quebra-cabeça do raio de carga do próton
Essa alta precisão foi alcançada pela técnica do pente de frequência ganhadora do Prêmio Nobel, que estreou aqui pela primeira vez para excitar átomos em espectroscopia de alta resolução
Por Katharina Jarrah - 28/11/2020


Alexey Grinin e Dery Taray estão trabalhando no sistema de vácuo do experimento 1S-3S. Crédito: Max Planck Society

Físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica testaram a mecânica quântica em um nível completamente novo de precisão usando espectroscopia de hidrogênio e, ao fazer isso, chegaram muito mais perto de resolver o conhecido quebra-cabeça do raio de carga do próton.

Cientistas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) conseguiram testar a eletrodinâmica quântica com uma precisão sem precedentes de 13 casas decimais. A nova medição é quase duas vezes mais precisa do que todas as medições anteriores de hidrogênio combinadas e leva a ciência um passo mais perto de resolver o quebra-cabeça do tamanho do próton. Essa alta precisão foi alcançada pela técnica do pente de frequência ganhadora do Prêmio Nobel, que estreou aqui pela primeira vez para excitar átomos em espectroscopia de alta resolução. Os resultados são publicados hoje na Science .

A física é considerada uma ciência exata. Isso significa que as previsões das teorias físicas - números exatos - podem ser verificadas ou falsificadas por experimentos. O experimento é o maior juiz de qualquer teoria. A eletrodinâmica quântica, a versão relativística da mecânica quântica, é sem dúvida a teoria mais bem-sucedida até hoje. Ele permite que cálculos extremamente precisos sejam realizados, por exemplo, a descrição do espectro do hidrogênio atômico com 12 casas decimais. O hidrogênio é o elemento mais comum no universo e ao mesmo tempo o mais simples com apenas um elétron. E ainda, ele hospeda um mistério ainda desconhecido.  

O quebra-cabeça do tamanho do próton

O elétron no átomo de hidrogênio "percebe" o tamanho do próton, que se reflete em mudanças mínimas nos níveis de energia. Por muitas décadas, incontáveis ​​medições do hidrogênio produziram um raio de próton consistente. Mas as investigações espectroscópicas do chamado hidrogênio muônico, em que o elétron foi substituído por seu gêmeo 200 vezes mais pesado - o múon - revelaram um mistério. As medições foram realizadas em 2010 em colaboração com Randolf Pohl, então líder do grupo de Espectroscopia a Laser do Prof. Hänsch (MPQ) e agora professor da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz. O valor para o raio do próton que pode ser derivado desses experimentos é quatro por cento menor do que o do hidrogênio comum. Se todos os experimentos forem considerados corretos, surge uma contradição com a teoria da eletrodinâmica quântica, pois todas as medições no hidrogênio muônico e comum devem relatar o mesmo raio do próton, quando todos os termos teóricos estão corretos. Em conseqüência, esse "quebra-cabeça do raio do próton" motivou novas medições de precisão em todo o mundo. No entanto, enquanto novas medições de Garching e Toronto confirmaram o menor raio do próton, uma medição de Paris novamente apoiou o valor anterior maior.

Comparando medidas
 
A ciência prospera em comparações independentes. É por isso que a equipe de Garching liderada por Alexey Grinin, Arthur Matveev e Thomas Udem do Departamento de Espectroscopia a Laser de Theodor Hänsch queria medir a mesma transição de Paris usando um método completamente diferente e, portanto, complementar. Usando a chamada espectroscopia em pente de freqüência de dois fótons livre de Doppler, eles agora conseguiram melhorar a precisão por um fator de quatro. O resultado para o raio do próton era agora duas vezes mais preciso do que todas as medições anteriores do hidrogênio juntas. É a primeira vez que a mecânica quântica é verificada até a décima terceira casa decimal. O valor para o raio do próton determinado desta forma confirma o menor raio do próton e, portanto, exclui a teoria como causa. Porque para a mesma transição, os resultados experimentais devem concordar, independentemente da teoria. A figura a seguir (fig. 1) mostra a situação atual.

Avaliações sobre a validade da eletrodinâmica quântica são possíveis apenas com várias medições independentes sendo comparadas. Se a teoria e sua aplicação forem verdadeiras, e todos os experimentos forem conduzidos corretamente, os valores do raio do próton devem concordar uns com os outros dentro dos limites da incerteza experimental. Mas não é esse o caso, como podemos ver na foto. A revelação dessa discrepância - o quebra-cabeça do próton - abriu a possibilidade de que a eletrodinâmica quântica, a teoria física mais precisa, pode estar carregando uma falha fundamental. O novo resultado, entretanto, sugere que o problema é de natureza experimental e não fundamental. E a eletrodinâmica quântica teria tido sucesso mais uma vez.

Novo marco na espectroscopia de pente de frequência

A luz laser azul (410nm) é gerada como o segundo harmônico de um titânio pulsado: laser de safira que utiliza um cristal não linear.

O sucesso da espectroscopia de pente de frequência realizada neste projeto também significa um marco importante na ciência por outro motivo. A espectroscopia de precisão em hidrogênio e outros átomos e moléculas tem sido realizada quase exclusivamente com lasers de onda contínua. Em contraste, o pente de frequência é gerado por um laser pulsado. Com esses lasers, é possível penetrar em comprimentos de onda muito mais curtos até a faixa ultravioleta extrema. Com lasers de ondas contínuas, isso parece um esforço impossível. Íons altamente interessantes, como o íon hélio semelhante ao hidrogênio, têm suas transições nessa faixa espectral, mas mesmo mais de 100 anos após o desenvolvimento da primeira teoria quântica, eles não podem ser estudados com precisão, ou seja, com luz laser. O experimento agora apresentado é uma etapa essencial para mudar essa situação insatisfatória. Além disso, espera-se que esses pentes de frequência ultravioleta permitam que elementos importantes biológica e quimicamente, como hidrogênio e carbono, sejam resfriados diretamente por laser, permitindo que a ciência os estude com precisão ainda maior.

 

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