Os primeiros e tão aguardados resultados do experimento Muon g-2 realizado no Acelerador Fermi (Fermilab), nos EUA, mostraram partículas múons, um parente mais pesado do elétron, se comportando de forma jamais prevista por cientistas e pelo Modelo Padrão, que hoje explica todas as partículas e forças conhecidas.

Os resultados, apurados com uma precisão sem precedentes, confirmam uma discrepância que tem incomodado pesquisadores por décadas. A forte evidência de que os múons se desviam do cálculo do Modelo Padrão pode sugerir uma nova e surpreendente Física.

A descoberta mostra que os múons – que atuam como uma janela para o mundo subatômico – apresentam uma variação em seu momento magnético que só pode ser explicada pela interação com alguma partícula ou força ainda desconhecida.

Hoje é um dia extraordinário, há muito esperado não apenas por nós, mas por toda a comunidade internacional de Física. Grande parte do crédito vai para os nossos jovens pesquisadores que, com o seu talento, ideias e entusiasmo, nos permitiram alcançar este incrível resultado”, celebrou Graziano Venanzoni, co-porta-voz do experimento Muon g-2 e físico do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear.

Os múons são o principal componente dos raios cósmicos secundários, gerados quando raios cósmicos que vêm do espaço chegam à Terra e colidem com os átomos na nossa atmosfera, criando o famoso chuveiro de partículas, detectados por observatórios. Os aceleradores de partículas do Fermilab podem produzi-los em grande quantidade.

Os primeiros resultados do experimento Muon g-2 no Fermilab reforçam as evidências de uma nova física. A peça central do experimento é um anel magnético supercondutor de 15 metros de diâmetro. Foto: Reidar Hahn, Fermilab

Assim como os elétrons, os múons agem como se tivessem um minúsculo ímã interno. Sob um forte campo magnético, a direção do ímã do múon oscila – fenômeno chamado precessão – de forma muito parecida com o eixo de um pião ou 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. Este número pode ser calculado com altíssima precisão.

Pela teoria do Modelo Padrão, o fator g do múon vale 2,00233183620(86), mas o experimento Múon g-2 encontrou um valor de 2,00233184122(82) – os números entre parênteses representam a incerteza. Esse pequenino desvio reforça a indicação de que o Modelo Padrão da Física de Partículas pode ser inadequado para explicá-lo, indicando que devem existir outras partículas ou outras forças agindo sobre o múon para que ele apresente essa diferença.

Essa quantidade que medimos reflete as interações do múon com tudo o mais no universo. Mas quando teóricos calculam a mesma quantidade, usando todas as forças e partículas conhecidas no Modelo Padrão, não obtemos a mesma resposta”, disse Renee Fatemi, física da Universidade de Kentucky e gestora de simulações do experimento Muon g-2. 

Como foi o experimento

Os múons são partículas elementares, semelhantes aos elétrons em muitas de suas propriedades, mas com a diferença de que são cerca de 200 vezes mais pesados, além de terem um tempo de vida curtíssimo, 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.

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. Agora, essa nova medição do experimento Muon g-2 concorda fortemente com o valor encontrado em Brookhaven e diverge da teoria com a medição mais precisa até o momento.

Na época, o experimento não era sensível o suficiente para descartar a flutuação aleatória do valor medido como causa do desvio. Mas o indício era forte o suficiente para não ser levado em consideração. Qualquer desvio em relação à teoria deveria ser causado por alguma outra partícula desconhecida.

Entra em cena o experimento Múon g-2

O nome Múon g-2 foi dado pelo 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. Esse experimento mediu o momento magnético dos múons fazendo essas partículas girarem por um círculo de 15 metros de diâmetro. Um poderoso ímã manteve os múons em sua trajetória circular e, ao mesmo tempo, fazendo 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.

Como funciona esse processo? Imagine cada múon como um minúsculo relógio analógico. À medida que a partícula circunda o magneto, seu ponteiro das horas gira a uma taxa prevista pela teoria. Quando o tempo do múon termina, ele decai em um pósitron que é emitido na direção do ponteiro das horas. Mas se esse ponteiro girar a uma taxa diferente da teoria – digamos, um “tique-taque” rápido demais – o decaimento do pósitron terminará apontando em uma direção ligeiramente diferente. (Nesta analogia, o ponteiro das horas corresponde ao spin do múon, uma propriedade quântica que determina a direção do decaimento do múon.) Basta detectar pósitrons suficientes com desvio suficiente, e você terá uma anomalia.

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.

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 consideram para reivindicar uma descoberta – a chance de que os resultados sejam uma flutuação estatística é de cerca de 1 em 40.000. Mesmo assim, a comunidade envolvida no experimento afirma que os resultados apresentam uma “evidência sólida” de uma nova Física.

Após 20 anos desde o término do experimento de Brookhaven, é muito gratificante finalmente estar resolvendo este mistério”, comemora o cientista Chris Polly, do Fermilab e que é co-porta-voz do experimento atual.

É apenas o começo

Nas próximas semanas, artigos teóricos tentarão revisar e dar mais sentido a esse novo resultado. Modelos que introduzem a existência de novas partículas, como o bóson Z ‘e o leptoquark, serão atualizados à luz das novas informações. A empreitada para alcançar o grau de certeza sobre a anomalia acima de 5 sigma já está acontecendo.

Os dados da segunda e terceira temporadas de funcionamento do Muon g-2 são aguardados para daqui a 18 meses. E, mesmo que todos os esforços confirmem que há uma nova Física em ação nos múons, uma ferramenta necessária para revelar sua natureza pode ser um novo colisor – algo que muitos físicos estão defendendo por meio de propostas como o International Linear Collider e o High-Luminosity LHC. Nos últimos meses, aumentou o interesse em torno de um colisor de múons, algo que vários estudos preveem que proporcionaria aos físicos a capacidade de determinar as propriedades da partícula ou da força, ainda desconhecida, que afeta o múon.

Mesmo aqueles que são céticos sobre a importância do novo resultado não podem deixar de encontrar uma fresta de esperança. “É bom para a física de partículas”, diz Tommaso Dorigo, um físico experimental da Universidade de Pádua, na Itália, “porque a física de partículas está morta há um bom tempo”.

Fonte: Fermilab

Imagem da capa: David Flay que trabalhou na medição da força do campo magnético através do qual os múons passaram. (Crédito foto: DOE Office of Science)