Próton pode ser menor do que se pensava, diz estudo

"O novo experimento representa um quebra-cabeças, sem uma explicação óbvia", diz Peter Mohr, do Codata (Comitê sobre Data para Ciência e Tecnologia), que calcula valores de constantes fundamentais em física e que não estava envolvida no estudo.

Como a maioria dos objetos quânticos, um próton é indistinto em suas margens. Seu tamanho é definido pela extensão de sua carga positiva, não por uma clara fronteira física. O raio dessa carga não pode ser medido diretamente, mas pode ser inferido a partir do átomo de hidrogênio, formado por um próton e um elétron.

O elétron pode estar localizado em várias camadas de energia, cada uma com uma distribuição espacial diferente. Uma dessas distribuições requer que o elétron mergulhe no próton, outra prevê que o elétron se encontre totalmente fora do próton. As energias dessas camadas podem ser combinadas para deduzir o raio do próton, usando uma teoria chamada eletrodinâmica quântica (QED).

Há um jeito de tornar essa medição mais acurada ainda. Basta trocar o elétron por um múon. Essa partícula, também carregada negativamente, é maior que o elétron de forma que sua camada de energia fica mais próxima e se sobrepõe ao raio do próton.

Desde 1969, quando a QED foi proposta, a criação de um "átomo muônico" tem estado na lista de afazeres dos cientistas, diz Randolf Phol, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, em Garching, Alemanha. Mas o ponto de partida do experimento -a penúltima camada menos energética- persiste por menos de um microssegundo sob condições normais, tempo insuficiente para medir sua energia.

Só agora Pohl e sua equipe desenvolveu um método que os permitiu prolongar esse estado e medir o raio do próton usando átomos muônicos.

Eles colocaram múons movendo-se a baixas velocidades em um contêiner de gás hidrogênio a uma pressão mil vezes menor que a da atmosfera. A medida que os múons se ligavam aos núcleos de hidrogênio, eles começavam em estados de alta energia.

A maioria pulava em seguida para o estado de menor energia, mas 1 em 100 pulava somente até o penúltimo estado menos energético. A equipe tinha uma janela de um microssegundo para acertar esses elétrons com um pulso de laser ajustado na frequência exata para empurrá-los para uma camada superior a fim de medir sua energia.

Para a surpresa deles, quando combinaram essa medição com a energia da camada abaixo, seus cálculos revelaram um raio de 0,84184 femtômetros, menos que um trilionésimo de milímetro, 4% menor que o raio estimado usando o átomo de hidrogênio.

Essa diferença é muito maior do que esperada. "Os teóricos relevantes nos dizem que um erro de tal magnitude é "impossível"", diz Pohl.

Mohr acredita que o problema deve estar em um erro de medição ou no átomo de hidrogênio ou no átomo muônico, ou um erro nos cálculos.

Savely Karshenboim, outro membro do Codata no Instituto Max Planck de Óptica Quântica, acredita em um erro no estudo com o átomo muônico porque ele "contradiz outro resultado convincente".

No entanto, se tais erros forem excluídos, a discrepância poderia apresentar um problema para QUED, uma teoria que sustenta muito da física de partículas. O problema abre a possibilidade de que uma nova física esteja em ação nos átomos, como no caso das partículas subatômicas antes desconhecidas.

Pohl defende seu resultado experimental, mas pede cautela quanto a conclusão. "Uma nova física sempre pode ser usada para explicar qualquer discrepância, mas antes que tal afirmação possa ser feita, ainda tem muito trabalho pela frente."

O estudo foi publicado na revista "Nature".