Energia

Elétron é redondo... infelizmente para a Nova Física

Elétron é redondo... infelizmente para a Nova Física
Nesta representação artística, um elétron orbita o núcleo de um átomo, girando em torno de seu eixo enquanto uma nuvem de outras partículas subatômicas é constantemente emitida e reabsorvida. Várias hipóteses preveem que as partículas ainda não detectadas fariam com que a nuvem tivesse uma forma parecida com uma pera.[Imagem: Nicolle R. Fuller/NSF]

Esfericidade do elétron

Onde quer que a "nova física" - a realidade da matéria e da energia além do que já compreendemos - esteja se escondendo, ela está muito bem disfarçada.

Depois da decepção com o LHC, mais uma das grandes esperanças de achar indícios de novas partículas acaba de dar em nada.

Físicos mediram a esfericidade do elétron com o mais alto nível de precisão já atingido - e descobriram que ele é teimosamente redondo, com uma redondeza particularmente irritante porque uma pequena variação em sua esfericidade poderia indicar a presença de novas partículas.

O Modelo Padrão da física de partículas descreve a maioria das forças e partículas fundamentais no Universo. O modelo é uma imagem matemática da realidade, e nenhum experimento de laboratório feito até agora conseguiu contradizê-lo. Essa falta de contradição vem intrigando os físicos há décadas.

"O Modelo Padrão, tal como está, não pode estar certo porque não pode prever por que o Universo existe. Se descobríssemos que a forma [do elétron] não era redonda, essa seria a maior manchete da física nas últimas décadas," disse Gerald Gabrielse, membro da colaboração ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment).

Elétron é redondo... infelizmente para a Nova Física
O núcleo do átomo tem formato de pera, mas o elétron continua sendo esférico. [Imagem: Liam Gaffney/Peter Butler/Universidade de Liverpool]

Estranha natureza do espaço vazio

Seja o vazio entre as estrelas ou o vazio entre os átomos, os experimentos mostram que, após um exame mais atento, nenhum vácuo é verdadeiramente vazio. Todos os tipos de partículas subatômicas - e suas equivalentes de antimatéria - constantemente entram e saem da existência no vácuo, ou se aniquilam mutuamente ao se chocarem.

Esse ambiente influencia o elétron, com sua carga negativa e sua esfericidade sendo definidas pela constante interação com esse pululante vácuo quântico.

"Um elétron sempre carrega consigo uma nuvem de partículas fugazes, distorções no vácuo ao redor," detalha o professor John Gillaspy, membro da colaboração. "As distorções não podem ser separadas da partícula, e suas interações levam à forma final da carga do elétron, chamada de momento de dipolo elétrico, ou EDM."

Várias teorias - incluindo conceitos como "supersimetria" e "grande unificação" - postulam que algumas partículas subatômicas desconhecidas seriam reveladas se os pesquisadores fossem capazes de olhar atentamente para um elétron e descobrir que sua carga esférica fosse apenas ligeiramente achatada. Isso exigiria uma observação extrema, semelhante a medir uma esfera do tamanho da Terra com uma precisão de alguns átomos de espessura.

Os pesquisadores da colaboração ACME, que já dura uma década, têm essa possibilidade como horizonte de longo prazo, e agora conseguiram melhorar suas observações do elétron em 10 vezes - mas as medições indicam que a pequena "esfera negativa" parece ser perfeitamente redonda.

"O investimento foi relativamente grande e a escala de tempo foi relativamente longa, mas esses novos resultados demonstram que o risco valeu a pena. Quando se trata de medições de precisão, grandes avanços geralmente exigem um espírito ousado e uma grande dose de paciência," justifica-se Gillaspy.

Elétron é redondo... infelizmente para a Nova Física
Há outra busca em andamento, pela quarta propriedade do elétron. [Imagem: Forschungszentrum Juelich]

Como medir a esfericidade do elétron

O laboratório ACME usa um processo único que envolve disparar um feixe de moléculas de óxido de tório - 1 milhão de moléculas por pulso, 50 vezes por segundo - em uma câmara do tamanho de uma mesa.

Dentro dessa câmara relativamente pequena, os lasers orientam as moléculas - e seus elétrons - à medida que eles chispam entre duas placas de vidro eletricamente carregadas, localizadas dentro de um campo magnético cuidadosamente controlado.

Os pesquisadores então observam a luz que as moléculas emitem quando são atingidas por um segundo conjunto de lasers de leitura cuidadosamente ajustados. Essa luz revela se a orientação do elétron "torce" durante o voo, como ocorreria se ele fosse achatado.

O Modelo Padrão prevê que a interação com partículas específicas achata levemente a carga dos elétrons, mas o efeito só seria perceptível em uma resolução 1 bilhão de vezes mais precisa do que a ACME atingiu agora. Mas os novos resultados já são precisos o suficiente para descartas algumas partículas pesadas aventadas por teorias emergentes. Essas partículas, se existirem, não teriam as propriedades necessárias para explicar a predominância da matéria sobre a antimatéria no Universo.

"O Modelo Padrão faz previsões que diferem radicalmente de suas [teorias] alternativas e o ACME pode diferenciar entre elas," observou o físico David DeMille. "Nosso resultado diz à comunidade científica que precisamos repensar seriamente algumas dessas teorias alternativas."

Mais esse "vácuo" que os físicos levaram de seus experimentos talvez aumente o interesse em observações de um laboratório natural, que indicou há poucos dias que partículas detectadas na Antártica não se encaixam no Modelo Padrão.

Bibliografia:

Improved limit on the electric dipole moment of the electron
ACME Collaboration
Nature
Vol.: 562, pages 355-360
DOI: 10.1038/s41586-018-0599-8




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