O elétron é tão redondo que está descartando novas partículas em potencial

Imagine um elétron como uma nuvem esférica de carga negativa. Se essa bola fosse um pouco menos redonda, poderia ajudar a explicar lacunas fundamentais em nossa compreensão da física, incluindo por que o universo contém algo em vez de nada.

Dadas as apostas, uma pequena comunidade de físicos tem caçado obstinadamente qualquer assimetria na forma do elétron nas últimas décadas. Os experimentos agora são tão sensíveis que, se um elétron fosse do tamanho da Terra, eles poderiam detectar uma protuberância no Pólo Norte da altura de uma única molécula de açúcar.

Os resultados mais recentes estão em: O elétron é mais redondo do que isso.

A medição atualizada decepciona qualquer um que espere sinais de uma nova física. Mas ainda ajuda os teóricos a restringir seus modelos para quais partículas e forças desconhecidas podem estar faltando no quadro atual.

“Tenho certeza de que é difícil ser o experimentalista medindo zero o tempo todo, [mas] mesmo um resultado nulo neste experimento é realmente valioso e realmente nos ensina algo”, disse Pedro Graham, um físico teórico da Universidade de Stanford. O novo estudo é “um tour de force tecnológico e também muito importante para a nova física”.

caça furtiva de elefantes

A Modelo Padrão de Física de Partículas é a nossa melhor lista de todas as partículas que existem no zoológico do universo. A teoria se manteve excepcionalmente bem em testes experimentais nas últimas décadas, mas deixa alguns “elefantes na sala” sérios, disse Dmitry Budker, um físico da Universidade da Califórnia, Berkeley.

Por um lado, nossa mera existência é prova de que o Modelo Padrão é incompleto, pois, de acordo com a teoria, o Big Bang deveria ter produzido partes iguais de matéria e antimatéria que teriam se aniquilado.

Em 1967, o físico soviético Andrei Sakharov propôs uma solução possível para este enigma particular. Ele conjecturou que deve haver algum processo microscópico na natureza que parece diferente ao contrário; dessa forma, a matéria poderia crescer para dominar a antimatéria. Alguns anos antes, os físicos haviam descoberto tal cenário no decaimento da partícula kaon. Mas isso por si só não foi suficiente para explicar a assimetria.

Desde então, os físicos têm procurado encontrar indícios de novas partículas que possam fazer pender ainda mais a balança. Alguns o fazem diretamente, usando o Grande Colisor de Hádrons – muitas vezes apresentado como a máquina mais complicada já construída. Mas, nas últimas décadas, surgiu uma alternativa comparativamente de baixo orçamento: observar como partículas hipotéticas alterariam as propriedades de partículas conhecidas. “Você vê pegadas [da nova física], mas na verdade não vê o que as fez”, disse Michael Ramsey-Musolf, um físico teórico da Universidade de Massachusetts, Amherst.

Uma dessas pegadas potenciais poderia aparecer na redondeza do elétron. A mecânica quântica dita que dentro da nuvem de carga negativa do elétron, outras partículas estão constantemente entrando e saindo da existência. A presença de certas partículas “virtuais” além do Modelo Padrão – o tipo que poderia ajudar a explicar a supremacia primordial da matéria – faria a nuvem do elétron parecer um pouco mais em forma de ovo. Uma ponta teria um pouco mais de carga positiva, a outra um pouco mais negativa, como as extremidades de uma barra magnética. Essa separação de carga é chamada de momento de dipolo elétrico (EDM).

O Modelo Padrão prevê um EDM minúsculo para o elétron – quase um milhão de vezes menor do que as técnicas atuais podem sondar. Portanto, se os pesquisadores detectassem uma forma oblonga usando os experimentos de hoje, isso revelaria traços definitivos da nova física e apontaria para o que o Modelo Padrão pode estar perdendo.

Para procurar o EDM do elétron, os cientistas procuram uma mudança no spin da partícula, uma propriedade intrínseca que define sua orientação. O spin do elétron pode ser prontamente girado por campos magnéticos, com seu momento magnético servindo como uma espécie de alça. O objetivo desses experimentos de mesa é tentar girar o spin usando campos elétricos, com o EDM como um cabo elétrico.

“Se o elétron é perfeitamente esférico, não há alças para agarrar para exercer um torque”, disse Amar Vutha, um físico da Universidade de Toronto. Mas se houver um EDM considerável, o campo elétrico o usará para puxar o spin do elétron.

Em 2011, pesquisadores do Imperial College London mostrou que eles poderiam amplificar esse efeito de alça ancorando o elétron a uma molécula pesada. Desde então, duas equipes principais têm se superado a cada poucos anos com medições cada vez mais precisas.

Um experimento, agora na Northwestern University, atende pelo nome de Advanced Cold Molecule Electron EDM, ou ACME (um backronym inspirado no antigo road Runner desenhos animados). Outro é baseado no instituto JILA da Universidade do Colorado. As medições das equipes concorrentes aumentaram em sensibilidade por um fator de 200 na última década - ainda sem EDM para ser visto.

“É uma espécie de corrida, exceto que não temos ideia de onde está a linha de chegada, ou mesmo se existe uma linha de chegada”, disse David DeMille, físico da Universidade de Chicago e um dos líderes do grupo ACME.

Uma Corrida ao Desconhecido

Para manter o trekking à frente, os pesquisadores querem duas coisas: mais medições e um tempo de medição mais longo. As duas equipes adotam abordagens opostas.

O grupo ACME, que definiu o Registro anterior em 2018, prioriza a quantidade de medições. Eles disparam um feixe de moléculas neutras pelo laboratório, sondando dezenas de milhões delas a cada segundo, mas apenas por alguns milissegundos cada. O grupo JILA mede menos moléculas, mas por mais tempo: eles capturam algumas centenas de moléculas por vez e as medem por até três segundos.

A técnica de captura de íons, desenvolvida pela primeira vez por Eric Cornell, um físico da Universidade do Colorado, Boulder, que dirige o grupo JILA, foi “um grande avanço conceitual”, disse DeMille. “Muitas pessoas no campo pensaram que isso era loucura. Vê-lo se concretizando é realmente emocionante.”

Ter duas configurações experimentais distintas que podem se cruzar é “absolutamente crucial”, disse Budker. “Não tenho palavras para expressar minha admiração por essa esperteza e persistência. É simplesmente a melhor ciência que existe.”

A técnica de Cornell foi a primeira mostrada em 2017 com moléculas de fluoreto de háfnio. Desde então, melhorias técnicas permitiram ao grupo superar o recorde da ACME por um fator de 2.4, conforme descrito em um pré-impressão recente liderado pela ex-aluna de pós-graduação de Cornell, Tanya Roussy. A equipe se recusou a comentar enquanto o artigo está sendo revisado em Ciência.

Sondar a redondeza do elétron com maior precisão equivale a procurar uma nova física em escalas de energia mais altas ou procurar sinais de partículas mais pesadas. Este novo limite é sensível a energias acima de aproximadamente 10¹³ elétron-volts - mais de uma ordem de magnitude além do que o LHC pode testar atualmente. Algumas décadas atrás, a maioria dos teóricos esperava que pistas de novas partículas fossem descobertas significativamente abaixo dessa escala. Cada vez que a fasquia sobe, algumas ideias são desacreditadas.

“Temos que continuar lutando com o que esses limites implicam”, disse Ramsey-Musolf. “Nada está morto ainda, mas está aumentando o calor.”

Enquanto isso, a comunidade eletrônica EDM segue em frente. Em futuras iterações experimentais, os grupos de duelo pretendem se encontrar em algum lugar no meio: a equipe JILA planeja fazer um feixe cheio de íons para aumentar sua contagem, e a equipe ACME deseja estender o comprimento do feixe para aumentar o tempo de medição. Vutha está até trabalhando em abordagens “totalmente malucas”, como o congelamento de moléculas em blocos de gelo, na esperança de saltar várias ordens de magnitude em sensibilidade.

O sonho é que esses experimentos de EDM sejam os primeiros a detectar sinais de uma nova física, levando a uma onda de investigações de acompanhamento de outros experimentos de medição de precisão e colisores de partículas maiores.

A forma do elétron é “algo que nos ensina sobre peças totalmente novas e diferentes das leis fundamentais da natureza”, disse Graham. “Há uma grande descoberta esperando para acontecer. Estou otimista de que chegaremos lá.”