A espectroscopia de hidrogênio de alta precisão solucionou o antigo mistério sobre o raio do próton.

Nova medição do transição 2S–6P no hidrogénio atómico confirma dados muónicos e bate recorde de precisão

Uma colaboração internacional de físicos do Instituto de Ótica Quântica da Sociedade Max Planck realizou um experimento singular que esclareceu uma controvérsia de longa data sobre o raio do próton. O impasse vinha da divergência entre os valores obtidos por espectroscopia do hidrogénio comum e do hidrogénio muónico. A nova medição corroborou o raio menor indicado pelos resultados muónicos e rejeitou o valor antigo do CODATA 2014 com significância de 5,5σ.

O hidrogénio muónico é uma variante exótica do átomo em que o eletrão é substituído por um múon - partícula com a mesma carga, porém cerca de 200 vezes mais pesada - e, por isso, orbita muito mais perto do próton. Essa proximidade torna o hidrogénio muónico 10.000 vezes mais sensível ao tamanho físico do núcleo, permitindo determinar o raio do próton com precisão extrema. Ainda assim, por algum tempo, medições em hidrogénio muónico e em hidrogénio comum produziram resultados diferentes, em grande parte porque a exatidão das técnicas tradicionais de espectroscopia do hidrogénio comum não bastava para revelar distorções sistemáticas subtis.

A principal fonte de desconfiança no valor antigo do raio do próton foi a discrepância fundamental entre métodos distintos de medição, que ficou conhecida como "enigma do raio do próton" (proton radius puzzle). Entre os elementos centrais do problema, destacaram-se:

• Surgimento do hidrogénio muónico. Em 2010, foram feitos estudos espectroscópicos do "hidrogénio muónico". Esse procedimento mostrou-se muito mais sensível ao tamanho do núcleo.
• Divergência expressiva. O raio obtido no hidrogénio muónico saiu claramente menor do que o valor então aceite (CODATA 2014), baseado em espectroscopia do hidrogénio comum e em espalhamento de eletrões. A diferença estatística ultrapassou 5,6 desvios-padrão (σ), o que na física é um forte indicativo de um problema relevante - seja no experimento, seja nas hipóteses.
• Inconsistências dentro do próprio hidrogénio comum. Tentativas posteriores de extrair o raio a partir do hidrogénio comum também geraram resultados parcialmente incompatíveis entre si, sem conseguir nem validar plenamente o valor antigo nem convergir de forma definitiva para o novo.
• Pressão sobre a teoria fundamental. A discrepância colocou em xeque a precisão da eletrodinâmica quântica (QED) em estados ligados e, por extensão, a consistência do Modelo Padrão. Considerou-se a possibilidade de a teoria não incluir (ou descrever de modo incompleto) termos importantes nas interações.

No fim, a incapacidade de justificar por que o mesmo parâmetro - o raio do próton - assumia valores diferentes conforme o método levou a comunidade a reavaliar referências antigas e a executar experimentos ultraprécisos. Nesse contexto, entrou em cena a medição da transição 2S–6P (um parâmetro de alta precisão ligado à energia necessária para excitar o eletrão do estado metaestável 2S - número quântico principal n = 2 - para o estado 6P - n = 6). A determinação rigorosa da frequência 2S–6P permitiu calcular o raio de carga do próton com precisão 2,5 vezes superior à de abordagens anteriores.

O novo experimento baseou-se precisamente na medição da frequência da transição 2S–6P no hidrogénio atómico. Para reduzir efeitos Doppler, utilizou-se um feixe criogénico de átomos de hidrogénio a 4,8 K. Os átomos foram excitados com um laser de 243 nm, e a espectroscopia subsequente ocorreu em 410 nm. Para suprimir deslocamentos sistemáticos, a equipa aplicou um retrorefletor ativo de fibra (AFR), que assegura elevado paralelismo entre feixes contrapropagantes, além de um método de seleção por velocidades, que viabilizou extrapolar os dados para velocidade zero.

Também se dedicou atenção específica à mitigação do deslocamento por pressão de luz (LFS) e da interferência quântica (QI). O LFS aparece devido à difração dos átomos numa onda luminosa estacionária, o que produz assimetria no perfil da linha espectral; para o tratar, recorreu-se a modelagem quântica com funções de Wigner. Já a QI, associada à interferência entre caminhos de excitação e decaimento, foi reduzida com o uso do "ângulo mágico" de polarização do laser (56,5°) e de um grande ângulo sólido de recolha de fótons. Com esse conjunto de medidas, alcançou-se precisão de 0,7 partes por trilhão (ppt).

O raio do próton inferido foi de 0,8406(15) fm. Esse resultado confirmou a discrepância histórica, alinhou-se com o raio menor sugerido pelos dados muónicos e descartou o valor antigo do CODATA 2014 com confiabilidade de 5,5σ.

A precisão atingida também viabilizou testar correções de QED para estados ligados com exatidão de 0,5 partes por milhão (ppm), configurando o teste mais rigoroso até agora. Além disso, os resultados obtidos impõem limites à existência de partículas hipotéticas para além do Modelo Padrão.

O trabalho igualmente abre caminho para próximos estudos. Novas medições de transições como 2S–8D (transição de alta precisão do estado metaestável 2S para o estado excitado 8D, cuja frequência - em conjunto com a 2S–6P - é usada para extrair o raio do próton e confrontar previsões de QED) ou 2S–4P (transição espectroscópica no hidrogénio cuja medição de frequência foi uma tentativa anterior dos autores de resolver o enigma do raio do próton e que confirmou o resultado muónico "menor", embora com precisão 6 vezes inferior à alcançada agora com a 2S–6P) podem oferecer uma compreensão ainda mais profunda das interações fundamentais. A metodologia estabelecida neste experimento deve servir de base para investigações futuras.

Dessa forma, a espectroscopia de precisão do hidrogénio resolveu o enigma do raio do próton com exatidão suficiente para "filtrar" valores erróneos e confirmar que o próton é de facto "pequeno", como indicava o hidrogénio muónico. Os autores salientam que localizar o centro da frequência da transição com precisão de uma parte em 15.000 da largura experimental da linha foi um feito-chave deste trabalho; esse nível de precisão relativa à largura de linha é sem precedentes na espectroscopia a laser. Com isso, a espectroscopia do hidrogénio deixou de ser apenas uma técnica de medição e passou a funcionar como um instrumento poderoso na busca por "nova física" para além do Modelo Padrão.