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Experimento com múons mostra indícios de uma Nova Física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2021

Experimento com múons mostra indícios de uma Nova Física
O múon gira como um pião, transformando-se em um pequeno ímã cercado por um campo magnético. Ele segue uma trajetória ao longo da qual interage com o ímã do experimento Múon g-2, bem como com partículas virtuais do vácuo quântico. Assim, ele polariza o vácuo, levando à modificação de seu momento magnético.
[Imagem: Dani Zemba/Pennsylvania State University]

Partículas ou forças desconhecidas

Físicos encontraram o primeiro indício experimental da existência de uma "Nova Física" além do Modelo Padrão, que hoje explica todas as partículas e forças conhecidas.

A descoberta mostra que o múon, um parente mais pesado do elétron, apresenta uma variação em seu momento magnético que só pode ser explicada pela interação com alguma partícula ou força ainda desconhecida.

O experimento Múon g-2 (lê-se múons gê menos dois), sediado no Acelerador Fermi (Fermilab), nos EUA, confirmou o indício de uma anomalia detectada em 2001 por outro experimento, realizado no Laboratório Nacional Brookhaven, mas que não tinha a precisão necessária.

"Um dia fantástico e um resultado fantástico," comemorou o professor Dominik Stöckinger, da Universidade Tecnológica de Dresden, na Alemanha, que, juntamente com sua esposa Hyejung Stöckinger-Kim, está envolvido por décadas nestes experimentos e nas teorias que os embasam.

Fator g do múon

Como os elétrons, os múons agem como se tivessem um minúsculo ímã interno. Sob um campo magnético forte, a direção do ímã do múon oscila - o fenômeno é chamado precessão -, de forma muito parecida com o eixo de um pião ou de um giroscópio. A força interna do ímã interno determina a taxa de precessão do múon em um campo magnético externo e é descrita por um número que os físicos chamam de fator g.

Pela teoria do Modelo Padrão, o fator g do múon deveria valer 2,00233183620(86), mas o experimento Múon G-2 encontrou um valor de 2,00233184122(82) - os números entre parênteses representam a incerteza.

Mesmo que os valores difiram apenas na oitava casa decimal, esse desvio reforça a indicação de que o Modelo Padrão da física de partículas elementares é inadequado para explicá-lo, indicando que devem existir outras partículas ou outras forças agindo sobre o múon para que ele apresente essa diferença.

Mas ainda há um senão: Os resultados combinados do Fermilab e do Brookhaven mostram uma diferença com a teoria com uma significância de 4,2 sigmas, um pouco abaixo dos 5 sigmas (ou desvios-padrão) que os físicos exigem para reivindicar uma descoberta - a chance de que os resultados sejam uma flutuação estatística é de cerca de 1 em 40.000.

Isso, contudo, não impediu que a comunidade envolvida no experimento afirme que seus resultados apresentam uma "evidência sólida" de uma nova física.

Experimento com múons mostra indícios de uma Nova Física
Este é o Múon g-2, onde os múons revelaram indícios de partículas ou forças desconhecidas.
[Imagem: Reidar Hahn/Fermilab]

Entenda o experimento

Os múons são o principal componente dos raios cósmicos secundários, aqueles gerados quando os raios cósmicos que vêm do espaço profundo chegam à Terra e colidem com os átomos na nossa atmosfera, criando o famoso chuveiro de partículas, detectados por observatórios como o Pierre Auger.

Eles são partículas elementares, semelhantes aos elétrons em muitas de suas propriedades, mas com a diferença de que são cerca de 207 vezes mais pesados, além de terem um tempo de vida muito curto, de cerca de 2 milionésimos de segundo.

Uma das semelhanças esperadas pelo Modelo Padrão da Física de Partículas é que o múon e o elétron deveriam possuir o mesmo momento magnético, o famoso "spin", que pode ser entendido como se a partícula fosse a pequena agulha de uma bússola, apontando para baixo ou para cima - o spin está na base de inúmeras tecnologias, da spintrônica ao uso dos elétrons como qubits nos computadores quânticos.

A surpresa veio em 2001, quando um experimento realizado durante cinco anos no Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA, revelou uma diferença significativa entre o valor do momento magnético do múon determinado experimentalmente e aquele previsto pelo Modelo Padrão.

Infelizmente, o experimento não era sensível o suficiente para descartar a flutuação aleatória do valor medido como causa do desvio. Mas o indício era forte demais para ser descartado porque qualquer desvio entre relação à teoria deveria ser causado por alguma outra partícula desconhecida - todas as interações e partículas elementares contribuem com suas respectivas propriedades para o momento magnético do múon.

Múon g-2

Foi aí que entrou em cena o experimento Múon g-2 (lê-se múon gê menos dois), sediado no Acelerador Fermi (Fermilab), também nos EUA. O nome vem do fato de que o momento magnético do múon - chamado fator g, de giromagnético - apresenta um desvio muito ligeiro do valor inteiro 2 (cerca de 0,1%), pelo que os físicos o chamam de g - 2.

O experimento consistiu em medir o momento magnético dos múons fazendo essas partículas girarem por um círculo de 15 metros de diâmetro. Um poderoso ímã mantém os múons em sua trajetória circular e, ao mesmo tempo, faz o eixo magnético norte-sul das partículas ficar invertendo - quanto mais forte for o momento magnético das partículas, mais rápida será essa inversão de polaridade.

Conforme os múons circulam no campo magnético, eles também interagem com um mar de partículas virtuais que pululam do vácuo quântico, que aparecem e desaparecem o tempo todo. As interações com essas partículas de vida curta afetam o valor do fator g, fazendo com que a precessão dos múons acelere ou desacelere ligeiramente.

O Modelo Padrão prevê esse chamado "momento magnético anômalo" com extrema precisão. Mas, se o mar de partículas subatômicas do vácuo quântico contiver forças adicionais ou partículas não conhecidas pelo Modelo Padrão, isso altera ainda mais o fator g do múon.

É por isso que há tanto interesse no experimento, uma vez que um desvio desse valor real mostra que os múons estariam interagindo com outras partículas desconhecidas. O valor teórico para o momento magnético anômalo é de 0,00116591810(43), mas o experimento encontrou um valor de 0,00116592061(41).

O ideal teria sido atingir uma precisão que garantisse os famosos 5 sigmas, o padrão que os físicos usam para estabelecer que o dado de um experimento é realmente significativo, e não fruto de alguma variação aleatória - 5 sigmas equivalem a uma chance em 3,5 milhões de que o dado seja devido ao acaso. O experimento Múon g-2 não conseguiu isso, mas os físicos se mostraram bastante satisfeitos com 4,2 sigmas.

Bibliografia:

Artigo: Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD
Autores: Sz. Borsanyi, Z. Fodor, J. N. Guenther, C. Hoelbling, S. D. Katz, L. Lellouch, T. Lippert, K. Miura, L. Parato, K. K. Szabo, F. Stokes, B. C. Toth, Cs. Torok, L. Varnhorst
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1

Artigo: Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm
Autores: B. Abi et al. (Muon g-2 Collaboration)
Revista: Physical Review Letters
Vol.: 126, 141801
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
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