Medição dos múons mantém possibilidade de quinta força da natureza

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/08/2023

Este é o experimento Muon g-2.
[Imagem: Ryan Postel]

Dados confirmados

Há cerca de dois anos, o experimento Múon g-2 (lê-se múon gê menos dois), sediado no Acelerador Fermi (Fermilab), nos EUA, fez uma medição sobre os múons cujo resultado fugia do que é previsto pelo Modelo Padrão da Física.

Se o resultado experimental não bater com a teoria, isso significa que a teoria está incompleta, o que aponta para o que se convencionou chamar de uma Nova Física, uma teoria que precisará descobrir novas forças ou novas partículas, ou algo totalmente diferente, sobre o quê nada sabemos.

Agora o experimento terminou seu novo período de coleta de dados, e a discrepância nos resultados se confirmou, só que agora com uma precisão duas vezes maior.

O resultado indica que:

g-2 = 0.00233184110 +/- 0.00000000043 (incerteza estatística) +/- 0.00000000019 (incerteza sistemática)

A teoria mudou

Então isto significa que finalmente provamos que o Modelo Padrão é incompleto e que realmente precisamos de uma Nova Física? Infelizmente não é possível ser assim taxativo.

O problema é que, nos últimos dois anos, desde o anúncio do resultado preliminar, os físicos teóricos não ficaram parados, e os trabalhos mais recentes mexeram com o resultado previsto pelo Modelo Padrão. Com isto, mesmo que o novo resultado anunciado agora seja muito mais preciso, ele precisa ser comparado com um valor ligeiramente diferente, e aí não é mais possível garantir que a discrepância seja significativa.

Calcular a previsão do Modelo Padrão para o valor de múon g-2 não é uma tarefa simples. Em 2020, os teóricos anunciaram a melhor previsão do Modelo Padrão para múon g-2 disponível na época, com a qual aquele primeiro resultado foi comparado. Mas uma nova medição experimental dos dados que alimentam a previsão e um novo cálculo baseado em uma abordagem teórica diferente - a teoria do medidor de rede - estão em desacordo com o cálculo de 2020. Assim, os teóricos pretendem continuar trabalhando e estimam ter uma previsão nova e aprimorada disponível nos próximos anos, que considere ambas as abordagens teóricas.

Enquanto isso, o experimento Múon g-2 também continuará trabalhando, já que o projeto prevê uma coleta de dados que deverá durar seis anos.

Embora a incerteza sistemática total já tenha ultrapassado a meta do projeto, o aspecto maior da incerteza - a incerteza estatística - é determinada pela quantidade de dados analisados. O resultado anunciado agora acrescenta mais dois anos de dados ao primeiro resultado. O experimento do Fermilab atingirá sua incerteza estatística máxima assim que forem computados todos os seis anos de dados em suas análises, o que a colaboração pretende concluir nos próximos dois anos.

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]

Entenda o experimento

Os múons são partículas fundamentais semelhantes aos elétrons, mas cerca de 200 vezes mais massivas. Como os elétrons, os múons têm um minúsculo ímã interno que, na presença de um campo magnético, oscila como o eixo de um pião - os físicos chamam esse giro de precessão. A velocidade da precessão em um determinado campo magnético depende do momento magnético do múon, tipicamente representado pela letra g; no nível mais simples, a teoria prevê que g deve ser igual a 2.

A diferença de g em relação a esse 2 - daí vem o tal g menos 2 - pode ser atribuída às interações do múon com partículas ou interferências quânticas que o afetam. São partículas virtuais, que surgem e desaparecem o tempo todo e, como "parceiros de dança" subatômicos, agarram a "mão" do múon e mudam a maneira como o múon interage com o campo magnético. O Modelo Padrão incorpora todas as partículas conhecidas de "parceiros de dança" e prevê que essa "espuma quântica" muda o valor de g.

O que está em questão agora é justamente se o valor de g previsto pela teoria bate com os dados observacionais. Não está batendo, mas a teoria também está se mexendo, de modo que ainda não é possível termos um veredito.

Se, no final de tudo, os valores realmente diferirem, então os físicos terão um ponto de partida para começar a procurar por partículas ainda não descobertas que contribuam para o valor de g-2. Esta seria a porta para começar a explorar uma Nova Física.

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