Constante mágica do Universo tem valor mais preciso já medido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/12/2020

Ilustração do experimento que mediu a constante de estrutura fina com uma precisão sem precedentes. Os padrões de fundo representam os diagramas de Feynman reais usados para ajudar a calcular o valor teórico da anomalia do momento magnético do elétron (calculado usando a constante de estrutura fina, entre outros). O esquema do interferômetro atômico usado para medir a velocidade de recuo é representado em cores.
[Imagem: Cladé/Guellati-Khélifa/Aoyama]

Constante mágica

Uma equipe de físicos franceses acaba de realizar a medição mais precisa até hoje da constante de estrutura fina, que caracteriza a força da interação entre a luz e as partículas elementares com carga elétrica, como os elétrons.

Dentre todas as constantes fundamentais da natureza, a constante de estrutura fina - representada pela letra grega alfa (α) - é especial porque ela não tem dimensão ou unidade; é um número puro que parece ser extremamente importante para o Universo porque aparece por todos os lados.

Ao caracterizar a magnitude da força eletromagnética, seu tradicional valor de 1/137 aparece em múltiplos ou divisores em quase tudo o que se refere aos átomos, moléculas e outras partículas carregadas - como elétrons e prótons -, afetando virtualmente todas as áreas da pesquisa científica, da física e da química à biologia.

Alguns físicos gostam de chamá-la de "constante mágica" porque ela parece ter o valor adequado para que as coisas sejam como são: O valor 1/137 é pequeno o bastante para deixar a força eletromagnética fraca o suficiente para que os elétrons saltem entre materiais, viabilizando as reações químicas, mas forte o suficiente para que as estrelas sejam capazes de sintetizar elementos mais pesados, como o carbono, que fundamenta a vida como a conhecemos.

É por isso que muitos cientistas dedicam toda a sua vida profissional a medir a constante de estrutura fina com a maior precisão possível.

Valor da Constante de Estrutura Fina

Léo Morel e seus colegas da Universidade de Sorbonne, na França, determinaram o valor de α com uma precisão de 11 dígitos significativos, melhorando a precisão da medição anterior por um fator de 3.

Isso dá 1/137.035999206(11), com os dois últimos dígitos, entre parênteses, com um nível de incerteza ainda grande. Mas a margem de erro é de meras 81 partes por trilhão.

A equipe alcançou tamanha precisão aprimorando sua configuração experimental ao longo de 22 anos, em um esforço para reduzir imprecisões e controlar os efeitos que podem criar perturbações na medição.

O experimento envolve uma nuvem de átomos de rubídio, com uma temperatura próxima do zero absoluto, absorvendo um fóton de luz. Quando absorvem fótons, esses átomos ultrafrios recuam a uma velocidade que depende de sua massa. A medição altamente precisa desse fenômeno permite precisar o valor da constante de estrutura fina.

"O modelo padrão da física de partículas é notavelmente bem-sucedido porque é consistente com (quase) todos os resultados experimentais. No entanto, ele não consegue explicar a matéria escura, a energia escura e o desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo. Como as discrepâncias entre as previsões do modelo padrão e as observações experimentais podem fornecer evidências de uma nova física, uma avaliação precisa dessas previsões requer valores altamente precisos das constantes físicas fundamentais," escreveu a equipe.

Vários cientistas dedicam toda a sua vida acadêmica a aumentar a precisão do valor da constante de estrutura fina.
[Imagem: Léo Morel et al. - 10.1038/s41586-020-2964-7]

Mistérios por desvendar

Mas não pense que o assunto está encerrado.

O novo valor difere de maneira preocupante do resultado mais preciso anterior, obtido em 2018 por uma equipe da Universidade de Berkeley, nos EUA.

Acontece que a diferença aparece no sétimo dígito, o que mostra uma discrepância maior do que a margem de erro das duas medições. Isso pode significar duas coisas: uma, ou as duas, medições apresentam um erro ainda não identificado, ou há uma diferença ainda desconhecida entre os átomos de rubídio, usado neste experimento, e os átomos de césio, usados no experimento de 2018.

Os dois grupos anunciaram que não encerraram o assunto, e que continuam a melhorar seus experimentos em busca de respostas.

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