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Usando o primeiro método novo em meio século para medir o tamanho do próton via dispersão de elétrons, a colaboração do PRad produziu um novo valor para o raio do próton em um experimento conduzido no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia. Crédito: Jefferson Lab, DOE
Usando o primeiro método novo em meio século para medir o tamanho do próton via dispersão de elétrons, a colaboração do PRad produziu um novo valor para o raio do próton em um experimento conduzido no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia.
O resultado, publicado recentemente na revista Nature , é um dos mais precisos medidos em experimentos de espalhamento de elétrons. O novo valor para o raio de próton obtido foi de 0,831 fm, que é menor que o valor de espalhamento de elétrons anterior de 0,88 fm e está de acordo com os resultados recentes da espectroscopia atômica muônica.
"Estamos felizes que anos de trabalho duro de nossa colaboração estão chegando ao fim com um bom resultado que ajudará criticamente na solução do chamado quebra-cabeça do raio de prótons", diz Ashot Gasparian, professor da Universidade Estadual da Carolina do Norte A&T e porta-voz do experimento.
Toda a matéria visível do universo é construída sobre uma nuvem de três quarks unida por uma forte força de energia. O próton onipresente, que fica no coração de cada átomo, foi objeto de inúmeros estudos e experiências que revelaram seus segredos. No entanto, um resultado inesperado de um experimento para medir o tamanho dessa nuvem, em termos de seu raio de carga raiz quadrada média, uniu os físicos atômicos e nucleares em uma enxurrada de atividades para reexaminar essa quantidade básica do próton.
Antes de 2010, as medições mais precisas do raio do próton vinham de dois métodos experimentais diferentes. Em experimentos de espalhamento de elétrons, os elétrons são disparados contra os prótons, e o raio de carga do próton é determinado pela mudança no caminho dos elétrons depois que eles ricocheteiam ou se dispersam a partir do próton. Nas medições de espectroscopia atômica, as transições entre os níveis de energia pelos elétrons são observadas (na forma de fótons emitidos pelos elétrons) à medida que orbitam um pequeno núcleo. Núcleos que normalmente foram observados incluem hidrogênio (com um próton) ou deutério (com um próton e um nêutron). Esses dois métodos diferentes produziram um raio de cerca de 0,88 femtômetros.
Em 2010, os físicos atômicos anunciaram resultados de um novo método. Eles mediram a transição entre os níveis de energia dos elétrons em órbita em torno de átomos de hidrogênio produzidos em laboratório que substituíram um elétron em órbita por um múon, que orbita muito mais perto do próton e é mais sensível ao raio de carga do próton. Esse resultado produziu um valor 4% menor do que antes, em cerca de 0,84 femtômetros.
Em 2012, uma colaboração de cientistas liderados por Gasparian se reuniu no Jefferson Lab para reformular os métodos de dispersão de elétrons, na esperança de produzir uma medição nova e mais precisa do raio de carga do próton. O experimento PRad recebeu o agendamento prioritário como um dos primeiros experimentos a obter dados e concluir sua execução após uma atualização do Continuous Electron Beam Accelerator Facility, um DOE User Facility para pesquisas em física nuclear. O experimento levou dados de dispersão de elétrons no Experimental Hall B, do Jefferson Lab, em 2016.
"Quando começamos esse experimento, as pessoas estavam procurando respostas. Mas, para fazer outro experimento de espalhamento de elétrons e prótons, muitos céticos não acreditavam que poderíamos fazer algo novo", diz Gasparian. "Se você deseja criar algo novo, precisa criar novas ferramentas, algum método novo. E fizemos isso - fizemos um experimento que é completamente diferente de outros experimentos de espalhamento de elétrons".
A colaboração instituiu três novas técnicas para melhorar a precisão da nova medição. A primeira foi a implementação de um novo tipo de sistema de alvo sem janelas, que foi financiado por uma bolsa de Pesquisa Principal da National Science Foundation e foi amplamente desenvolvido, fabricado e operado pelo grupo-alvo do Jefferson Lab.
O alvo sem janelas fluiu gás hidrogênio refrigerado diretamente para o fluxo de elétrons acelerados de 1,1 e 2,2 GeV da CEBAF e permitiu que elétrons dispersos se movessem quase desimpedidos nos detectores.
"Quando dizemos sem janelas, estamos dizendo que o tubo está aberto ao vácuo do acelerador. O que parece ser uma janela - mas na dispersão de elétrons, uma janela é uma cobertura de metal na extremidade do tubo, e essas foram removido ", diz Dipangkar Dutta, co-porta-voz do experimento e professor da Universidade Estadual do Mississippi.
"Portanto, é a primeira vez que as pessoas colocam um alvo de fluxo de gás na linha de luz do Jefferson Lab", diz Haiyan Gao, co-porta-voz do experimento e professor Henry Newson na Universidade Duke. "O vácuo era bom, para que pudéssemos ter um feixe de elétrons passando pelo nosso alvo para fazer o experimento e, na verdade, temos um buraco na folha de entrada e outro na folha de saída. Essencialmente, o feixe passou diretamente diretamente para o hidrogênio gás, sem ver nenhuma janela".
A próxima grande diferença foi o uso de um calorímetro em vez do espectrômetro magnético tradicionalmente usado para detectar elétrons dispersos resultantes dos elétrons que atingem os prótons ou elétrons do hidrogênio. O calorímetro híbrido reaproveitado HyCal mediu as energias e as posições dos elétrons espalhados, enquanto um multiplicador de elétrons a gás recém-construído, o detector GEM, também detectou as posições dos elétrons com precisão ainda maior.
Os dados de ambos os detectores foram então comparados em tempo real, o que permitiu aos físicos nucleares classificar cada evento como um espalhamento de elétrons-elétrons ou um espalhamento de elétrons-prótons. Esse novo método de classificação dos eventos permitiu que os físicos nucleares normalizassem seus dados de espalhamento de elétrons e prótons para dados de espalhamento de elétrons e elétrons, reduzindo bastante as incertezas experimentais e aumentando a precisão.
A última grande melhoria foi a colocação desses detectores extremamente próximos a uma distância angular de onde o feixe de elétrons atingiu o alvo de hidrogênio. A colaboração conseguiu reduzir essa distância para menos de um grau.
"Na dispersão de elétrons, para extrair o raio, temos que ir para o menor ângulo de dispersão possível", diz Dutta. "Para obter o raio do próton, você precisa extrapolar para o ângulo zero, que não pode ser acessado em um experimento. Portanto, quanto mais próximo de zero você conseguir, melhor".
"A região que exploramos está em um ângulo tão avançado e com uma transferência de quatro momentos tão pequena que nunca foi alcançada antes na dispersão de elétrons-próton", acrescenta Mahbub Khandaker, co-porta-voz do experimento e professor do estado de Idaho. Universidade.
Os colaboradores dizem que o resultado é único, porque utilizou uma nova técnica via espalhamento de elétrons para determinar o raio de carga do próton. Agora, eles estão ansiosos para comparar o resultado com novas determinações espectroscópicas do raio do próton e próximas medições de espalhamento de elétrons e múons que estão sendo realizadas em todo o mundo.
Além disso, esse resultado também lança uma nova luz sobre a conjectura de uma nova força da natureza que foi proposta quando o quebra-cabeça do raio de prótons apareceu pela primeira vez.
"Quando o quebra-cabeça inicial do raio do próton foi lançado em 2010, havia esperança na comunidade de que talvez encontrássemos uma quinta força da natureza, de que essa força agisse de maneira diferente entre elétrons e múons", diz Dutta. "Mas o experimento PRad parece fechar a porta a essa possibilidade".
Eles dizem que o próximo passo é considerar a realização de investigações adicionais usando esse novo método experimental para obter medições de precisão ainda mais altas sobre este e outros tópicos relacionados, como o raio do deutério, o núcleo do deutério.
"Há uma chance muito boa de melhorarmos nossas medidas por um fator de dois ou talvez até mais", diz Gao.
Mais informações: Um pequeno raio de carga de prótons de um experimento de espalhamento de elétrons-prótons, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1721-2 , https://nature.com/articles/s41586-019-1721-2
Informações da revista: Nature
Fornecido por Thomas Jefferson National Accelerator Facilit
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
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Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
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