O hélio instável adiciona um limite ao épico em andamento para o tamanho do próton

O hélio instável adiciona um limite ao épico em andamento para o tamanho do próton
Mais Zoom / Acelerador de pequenas partículas na Suíça onde trabalhava, rodeado de fazendas.

Os físicos, que dedicaram suas vidas ao estudo do assunto, parecem não gostar muito da física porque sempre esperam que ela seja quebrada. Mas temos que perdoá-los. Descobrir que um pouco de teoria não pode explicar os resultados experimentais é um sinal de que podemos precisar de uma nova teoria, e é algo que excitaria qualquer físico.

Nos últimos anos, uma das coisas que parecia mais fraturada foi a medição aparentemente simples: o raio da carga de um próton, que é uma medida de seu tamanho físico. As medições feitas com átomos de hidrogênio, que têm um único elétron orbitando um próton, nos deram uma resposta. Medições em que o elétron foi substituído por uma partícula mais pesada, chamada múon, nos deram uma resposta diferente – e os resultados foram inconsistentes. Muito esforço foi feito para remover essa contradição, e Ficou menorMas não desapareceu.

Isso é o que faz os teóricos salivar. O modelo padrão não tem espaço para o tipo de diferença entre elétrons e múons, então isso poderia ser um sinal de que o modelo padrão está errado? A equipe por trás de algumas das medições anteriores está agora de volta com uma nova medição, rastreando o comportamento de um múon orbitando um núcleo de hélio. Os resultados são consistentes com outras medições do raio da carga de hélio, indicando que não há nada de engraçado no múon. Portanto, o Modelo Padrão pode respirar aliviado.

Medição de múon?

A medição envolvida é, simplesmente, muito maluca. Muons são basicamente cópias pesadas de elétrons, portanto, substituir um por outro em um átomo é relativamente simples. A massa do múon oferece algumas vantagens para esses tipos de medições. A massa garante que os orbitais do múon sejam, em última análise, comprimidos a ponto de sua função de onda interferir na função de onda do núcleo. Como resultado, o comportamento do múon quando ele orbita ao redor do núcleo é muito sensível ao raio da carga do núcleo.

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Tudo isso seria ótimo não fosse pelo fato de que os múons são instáveis ​​e normalmente decaem em menos de 2 microssegundos. Colocar um deles em órbita ao redor de um núcleo de hélio aumenta as complicações, já que o hélio geralmente tem dois elétrons em órbita e eles podem interagir um com o outro. As interações triplas esperadas de um núcleo múon-elétron estão atualmente além de nossa capacidade de computação, o que significa que não teremos ideia se o comportamento real difere da teoria.

Assim, os pesquisadores resolveram esse problema criando um íon carregado positivamente consistindo de um núcleo de hélio e um único múon orbitando-o. Fazer um desses – ou mais precisamente, fazer centenas deles – é onde a mania começa.

Os pesquisadores tiveram acesso ao feixe de múon criado pelo colisor de partículas e decidiram direcionar o feixe para algum gás hélio. No processo, quando os múons entram, eles têm muita energia para ficar em órbita ao redor de um núcleo de hélio, por isso salta, perdendo energia a cada colisão. Depois que os múons diminuem a velocidade o suficiente, eles podem entrar em uma órbita de alta energia em um átomo de hélio e colidir com um de seus elétrons no processo. Mas o segundo elétron ainda está lá, bagunçando todas as medições possíveis.

Mas o múon tem muito momentum devido à sua massa, e a transferência de energia dentro do átomo é mais rápida do que a perda de energia no meio ambiente. Assim, enquanto o múon transfere parte de sua energia para o elétron, a massa menor do elétron garante que isso seja o suficiente para retirar o elétron do átomo, deixando-nos com um íon múon hélio. Felizmente, tudo isso aconteceu rápido o suficiente para que o múon não tivesse chance de se decompor.

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que a loucura comece

Nesse ponto, o múon geralmente está em uma órbita de energia mais baixa, mas tem mais energia do que o estado fundamental. Os pesquisadores colocaram um gatilho sensível ao surgimento de múons no experimento. Após um atraso para permitir que os múons ejetem os dois elétrons, o gatilho faz com que o laser atinja a amostra com a quantidade apropriada de energia para impulsionar o múon da órbita 2S para a órbita 2P. A partir daí, ele se decomporá ao estado fundamental e emitirá raios-X no processo.

Muitos múons não estarão na órbita 2S e o laser não terá efeito sobre eles. Os pesquisadores estavam dispostos a sacrificar uma grande parte do hélio múon que haviam feito para ter medições precisas para aqueles que estavam no estado correto. Sua presença foi indicada por detecção de raios-X com energia apropriada. Para ter certeza de que estavam olhando para a coisa certa, os pesquisadores pegaram apenas os dados associados a um elétron de alta energia produzido pelo decaimento do múon.

E lembre-se, tudo isso deve ser feito rápido o suficiente para acontecer dentro de uma janela de tempo de microssegundos antes que o múon decaia.

A primeira etapa envolveu definir o laser usado para a frequência correta para impulsionar o múon na órbita 2P, porque esse é o valor que precisamos medir. Isso foi feito definindo um laser ajustável em uma faixa de frequência até que o hélio começou a produzir raios-x. Uma vez que a frequência foi determinada, os pesquisadores coletaram os dados por 10 dias, o que foi suficiente para medições precisas da frequência. Durante este tempo, os pesquisadores observaram 582 íons de múon de hélio.

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Com base em cálculos usando a frequência do laser, os pesquisadores descobriram que o raio de carga de um núcleo de hélio é 1,6782 femtômetros. As medições feitas por elétrons saltando para fora do núcleo indicam 1,681. Esses dois valores estão entre os erros experimentais, portanto, há uma forte concordância.

Desculpe, não estava quebrado

No nível mais simples, o fato de que as medições dos múons coincidem com as medições realizadas de forma independente indica que não há nada de especial nos múons. Assim, o Modelo Padrão, que diz a mesma coisa, permanece intacto na extensão bastante pequena que os erros experimentais aqui permitem. (Isso não significa que não foi quebrado de outra forma, é claro.) Portanto, os teóricos de todos os lugares ficarão desapontados.

Entretenimento à parte, os pesquisadores compararam seu valor ao gerado décadas atrás em aceleradores de partículas no CERN. Esse valor acabou sendo o mesmo, mas apenas por acaso, já que o trabalho anterior apresentava dois erros de compensação. Os pesquisadores observam que “o raio de carga citado não está muito longe de nosso valor”, mas que isso poderia ser rastreado até a embaraçosa coincidência de um falso experimento juntamente com uma previsão incompleta da teoria 2P-2S, por acaso. – valor falso. ”Portanto, neste caso, dois erros nos tornaram quase certos.

No entanto, este trabalho irá focar a atenção dos pesquisadores em tentar descobrir por que diferentes experimentos com prótons continuam a produzir resultados que não são totalmente concordantes, já que não podemos culpar o múon por ser estranho. Enquanto isso, todos nós podemos apreciar o quão incrível podemos fazer tanto com múons em uma fração de segundo em que eles estão.

Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03183-1 (Sobre DOIs)

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