Vinte anos depois de uma aparente anomalia no comportamento das partículas elementares ter gerado esperanças de um grande avanço na física, uma nova medição os solidificou: físicos do Laboratório Fermi National Accelerator, perto de Chicago, anunciaram hoje que múons – partículas elementares semelhantes aos elétrons – balançaram mais do que o esperado enquanto gira em torno de um anel magnetizado.
A nova medição amplamente esperada confirma o resultado de décadas, que ganhou as manchetes em todo o mundo. Ambas as medições da oscilação do múon, ou momento magnético, ultrapassam significativamente a previsão teórica, calculada no ano passado por um consórcio internacional de 132 físicos teóricos. Os pesquisadores do Fermilab estimam que a diferença cresceu para um nível quantificado como “4,2 sigma”, bem no caminho para o nível estrito de cinco sigma que os físicos precisam para reivindicar uma descoberta.
Tomada pelo valor de face, a discrepância sugere fortemente que partículas desconhecidas da natureza estão dando um empurrão extra aos múons. Essa descoberta iria finalmente anunciar o colapso do Modelo Padrão da física de partículas de 50 anos – o conjunto de equações que descreve as partículas elementares conhecidas e as interações.
“Hoje é um dia extraordinário, há muito esperado não apenas por nós, mas por toda a comunidade física internacional”, disse Graziano Venanzoni, um dos líderes do experimento Fermilab Muon g-2 e físico do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear. a imprensa.
No entanto, mesmo com tantos físicos de partículas provavelmente celebrando – e correndo para propor novas idéias que poderiam explicar a discrepância – um artigo publicado hoje na revista Nature lança a nova medição de múon em uma luz dramaticamente mais opaca.
O artigo, que apareceu assim que a equipe do Fermilab revelou sua nova medição, sugere que a oscilação medida do múon é exatamente o que o Modelo Padrão prevê.
No artigo, uma equipe de teóricos conhecida como BMW apresenta um cálculo de supercomputador de última geração do termo mais incerto que entra na previsão do Modelo Padrão do momento magnético do múon. A BMW calcula que esse prazo seja consideravelmente maior do que o valor adotado no ano passado pelo consórcio, grupo conhecido como Theory Initiative. O termo mais amplo da BMW leva a um valor predito geral maior do momento magnético do múon, alinhando a predição com as medições.
Se o novo cálculo estiver correto, os físicos podem ter passado 20 anos perseguindo um fantasma. Mas a previsão da Theory Initiative baseou-se em uma abordagem de cálculo diferente que foi aprimorada ao longo de décadas e pode muito bem estar certa. Nesse caso, a nova medição do Fermilab constitui o resultado mais emocionante na física de partículas em anos.
“Esta é uma situação muito sensível e interessante”, disse Zoltan Fodor, um físico de partículas teórico da Universidade Estadual da Pensilvânia que faz parte da equipe BMW.
O cálculo da BMW em si não é notícia de última hora; o papel apareceu pela primeira vez como uma pré-impressão no ano passado. Aida El-Khadra, teórica de partículas da Universidade de Illinois que co-organizou a Theory Initiative, explicou que o cálculo BMW deve ser levado a sério, mas que não foi levado em consideração na previsão geral da Theory Initiative porque ainda precisava ser examinado. Se outros grupos verificarem independentemente o cálculo da BMW, a Iniciativa Teórica irá integrá-lo em sua próxima avaliação.
Dominik Stöckinger, um teórico da Universidade Técnica de Dresden que participou da Iniciativa Teórica e é membro da equipe Fermilab Muon g-2, disse que o resultado da BMW cria “um status pouco claro”. Os físicos não podem dizer se novas partículas exóticas estão empurrando múons até que concordem sobre os efeitos das 17 partículas do Modelo Padrão que eles já conhecem.
Independentemente disso, há muitos motivos para otimismo: os pesquisadores enfatizam que, mesmo que a BMW esteja certa, o confuso abismo entre os dois cálculos pode apontar para uma nova física. Mas, por enquanto, os últimos 20 anos de conflito entre teoria e experimento parecem ter sido substituídos por algo ainda mais inesperado: uma batalha de teoria contra teoria.
Muons Momentosos
A razão pela qual os físicos esperaram ansiosamente pela nova medição do Fermilab é que o momento magnético do múon – essencialmente a força de seu magnetismo intrínseco – codifica uma grande quantidade de informações sobre o universo.
Um século atrás, os físicos presumiram que os momentos magnéticos das partículas elementares seguiriam a mesma fórmula dos objetos maiores. Em vez disso, eles descobriram que os elétrons giram em campos magnéticos o dobro do esperado. Sua “razão giromagnética”, ou “fator g” – o número que relaciona seu momento magnético com suas outras propriedades – parecia ser 2, não 1, uma descoberta surpresa posteriormente explicada pelo fato de que os elétrons são “spin-1/2” partículas, que retornam ao mesmo estado após fazer duas voltas completas em vez de uma.
Por anos, pensava-se que tanto os elétrons quanto os múons tinham fatores g de exatamente 2. Mas então, em 1947, Polykarp Kusch e Henry Foley mediram o fator g do elétron em 2,00232. O físico teórico Julian Schwinger explicou quase imediatamente os bits extras: Ele mostrou que as pequenas correções vêm da tendência de um elétron de emitir e reabsorver momentaneamente um fóton conforme ele se move através do espaço.
Muitas outras flutuações quânticas fugazes também acontecem. Um elétron ou múon pode emitir e reabsorver dois fótons, ou um fóton que brevemente se torna um elétron e um pósitron, entre inúmeras outras possibilidades que o Modelo Padrão permite. Essas manifestações temporárias viajam com um elétron ou múon como uma comitiva, e todas elas contribuem para suas propriedades magnéticas. “A partícula que você pensava ser um múon puro é na verdade um múon mais uma nuvem de outras coisas que aparecem espontaneamente”, disse Chris Polly, outro líder do experimento Muon g-2 do Fermilab. “Eles mudam o momento magnético.”
Quanto mais rara a flutuação quântica, menos ela contribui para o fator g do elétron ou múon. “Conforme você avança nas casas decimais, pode ver onde de repente os quarks começam a aparecer pela primeira vez”, disse Polly. Mais adiante estão as partículas chamadas bósons W e Z e assim por diante. Como os múons são 207 vezes mais pesados que os elétrons, eles têm cerca de 2.072 (ou 43.000) vezes mais probabilidade de conjurar partículas pesadas em seu entorno; essas partículas, portanto, alteram o fator g do múon muito mais do que o de um elétron. “Então, se você está procurando por partículas que poderiam explicar a massa ausente do universo – matéria escura – ou você está procurando por partículas de uma teoria chamada supersimetria”, disse Polly, “é aí que o múon tem um papel único”.
Durante décadas, os teóricos se esforçaram para calcular as contribuições para o fator g do múon provenientes de iterações cada vez mais improváveis de partículas conhecidas do Modelo Padrão, enquanto experimentalistas mediam o fator g com precisão cada vez maior. Se a medição superasse a expectativa, isso revelaria a presença de estranhos na comitiva do múon: aparições fugazes de partículas além do Modelo Padrão.
As medições do momento magnético do múon começaram na Universidade de Columbia na década de 1950 e foram realizadas uma década depois no CERN, o laboratório de física de partículas da Europa. Lá, os pesquisadores foram os pioneiros na técnica de medição ainda usada no Fermilab hoje.
Muons de alta velocidade são disparados em um anel magnetizado. À medida que um múon gira em torno do anel, passando por seu poderoso campo magnético, o eixo de rotação da partícula (que pode ser retratado como uma pequena seta) gira gradualmente. Milionésimos de segundo depois, normalmente após acelerar em torno do anel algumas centenas de vezes, o múon decai, produzindo um elétron que voa para um dos detectores ao redor. As energias variáveis dos elétrons que emanam do anel em momentos diferentes revelam a rapidez com que os giros do múon estão girando.
Na década de 1990, uma equipe do Laboratório Nacional de Brookhaven em Long Island construiu um anel de 15 metros de largura para lançar múons e começou a coletar dados. Em 2001, os pesquisadores anunciaram seus primeiros resultados, relatando 2.0023318404 para o fator g do múon, com alguma incerteza nos dois dígitos finais. Enquanto isso, a previsão do Modelo Padrão mais abrangente na época deu o valor significativamente mais baixo de 2,0023318319.
Tornou-se instantaneamente a discrepância de oitava casa decimal mais famosa do mundo.
“Centenas de jornais cobriram o assunto”, disse Polly, que era estudante de pós-graduação com o experimento na época.
A medição de Brookhaven ultrapassou a previsão em quase três vezes sua suposta margem de erro, conhecida como desvio de três sigma. Uma lacuna de três sigma é significativa, provavelmente não sendo causada por ruído aleatório ou um acúmulo infeliz de pequenos erros. Sugeriu fortemente que algo estava faltando no cálculo teórico, algo como uma partícula de matéria escura ou um bóson portador de força extra.
Mas sequências improváveis de eventos às vezes acontecem, então os físicos exigem um desvio de cinco sigma entre uma previsão e uma medição para reivindicar definitivamente uma descoberta.
Problemas com Hadrons
Um ano após a medição de Brookhaven para fazer manchetes, os teóricos identificaram um erro na previsão. Uma fórmula que representa um grupo das dezenas de milhares de flutuações quânticas nas quais os múons podem se envolver continha um sinal negativo desonesto; fixá-lo no cálculo reduzia a diferença entre a teoria e o experimento a apenas dois sigma. Não é nada para ficar animado.
Mas como a equipe de Brookhaven acumulou 10 vezes mais dados, sua medição do fator g do múon permaneceu a mesma, enquanto as barras de erro em torno da medição diminuíram. A discrepância com a teoria voltou a crescer para três sigma na época do relatório final do experimento em 2006. E continuou a crescer, à medida que os teóricos continuavam aprimorando a previsão do Modelo Padrão para o fator g sem ver o valor subir em direção à medição.
A anomalia de Brookhaven assomava cada vez mais na psique dos físicos à medida que outras pesquisas por novas partículas falhavam. Ao longo da década de 2010, o Grande Colisor de Hádrons de US $ 20 bilhões na Europa juntou prótons na esperança de conjurar dezenas de novas partículas que poderiam completar o padrão dos blocos de construção da natureza. Mas o colisor encontrou apenas o bóson de Higgs – a última peça que faltava no modelo padrão. Enquanto isso, uma série de pesquisas experimentais por matéria escura não encontraram nada. As esperanças por uma nova física giravam cada vez mais sobre múons instáveis. “Não sei se é a última grande esperança para uma nova física, mas certamente é a maior”, disse-me Matthew Buckley, físico de partículas da Rutgers University.
Todos sabiam que, para cruzar o limiar da descoberta, eles precisariam medir a razão giromagnética do múon novamente e com mais precisão. Assim, os planos para um experimento de acompanhamento foram iniciados. Em 2013, o ímã gigante usado em Brookhaven foi carregado em uma barcaça de Long Island e enviado pela costa do Atlântico e pelos rios Mississippi e Illinois até o Fermilab, onde o poderoso feixe de múon do laboratório permitiria que os dados acumulassem muito mais rápido do que antes. Essa e outras melhorias permitiriam à equipe do Fermilab medir o fator g do múon quatro vezes mais precisamente do que Brookhaven.
Em 2016, El-Khadra e outros começaram a organizar a Theory Initiative, buscando resolver quaisquer divergências e chegar a um consenso da previsão do Modelo Padrão do fator g antes que os dados do Fermilab entrassem em ação. “Para o impacto de uma medição experimental tão requintada para ser maximizada, a teoria precisa se acertar, basicamente “, disse ela, explicando o raciocínio da época. Os teóricos compararam e combinaram cálculos de diferentes bits e peças quânticas que contribuem para o fator g do múon e chegaram a uma previsão geral no verão passado de 2.0023318362. Isso caiu 3,7 sigma substanciais abaixo da medição final de Brookhaven de 2,0023318416.
Mas o relatório da Theory Initiative não foi a palavra final.
A incerteza sobre o que o modelo padrão prevê para o momento magnético do múon deriva inteiramente da presença em sua comitiva de “hádrons”: partículas feitas de quarks. Os quarks sentem a força forte (uma das três forças do Modelo Padrão), que é tão forte que é como se os quarks estivessem nadando na cola, e essa cola é infinitamente densa com outras partículas. A equação que descreve a força forte (e, portanto, em última análise, o comportamento dos hádrons) não pode ser resolvida com exatidão.
Isso torna difícil avaliar a frequência com que os hádrons surgem no meio do múon. O cenário dominante é o seguinte: o múon, à medida que viaja, emite momentaneamente um fóton, que se transforma em um hádron e um antiádron; o par hádron-antiádron rapidamente se aniquila de volta a um fóton, que o múon então reabsorve. Este processo, chamado de polarização a vácuo hadrônica, contribui com uma pequena correção para a razão giromagnética do múon começando na sétima casa decimal. O cálculo dessa correção envolve a resolução de uma soma matemática complicada para cada par hádron-antiádron que possa surgir.
A incerteza sobre este termo de polarização a vácuo hadrônico é a principal fonte de incerteza geral sobre o fator g. Um pequeno aumento neste termo pode apagar completamente a diferença entre teoria e experimento. Os físicos têm duas maneiras de calculá-lo.
Com o primeiro método, os pesquisadores nem mesmo tentam calcular o comportamento dos hádrons. Em vez disso, eles simplesmente traduzem os dados de outros experimentos de colisão de partículas em uma expectativa para o termo de polarização a vácuo hadrônico. “A abordagem baseada em dados foi refinada e otimizada ao longo de décadas, e vários grupos concorrentes usando detalhes diferentes em suas abordagens se confirmaram”, disse Stöckinger. A Theory Initiative usou essa abordagem baseada em dados.
Mas, nos últimos anos, um método puramente computacional tem melhorado continuamente. Nesta abordagem, os pesquisadores usam supercomputadores para resolver as equações da força forte em pontos discretos em uma rede em vez de em todos os lugares no espaço, transformando o problema infinitamente detalhado em um problema finito. Esta maneira de granular o pântano de quarks para prever o comportamento dos hádrons “é semelhante a uma previsão do tempo ou meteorologia”, explicou Fodor. O cálculo pode ser feito ultrapreciso colocando os pontos da rede muito próximos, mas isso também leva os computadores aos seus limites.
A equipe BMW de 14 pessoas – nomeada em homenagem a Budapeste, Marselha e Wuppertal, as três cidades europeias onde a maioria dos membros da equipe estava originalmente baseada – usou essa abordagem. Eles fizeram quatro inovações principais. Primeiro, eles reduziram o ruído aleatório. Eles também criaram uma maneira de determinar a escala com muita precisão em sua rede. Ao mesmo tempo, eles mais do que dobraram o tamanho de sua rede em comparação com os esforços anteriores, para que pudessem estudar o comportamento dos hádrons perto do centro da rede sem se preocupar com os efeitos de borda. Finalmente, eles incluíram no cálculo uma família de detalhes complicadores que muitas vezes são negligenciados, como diferenças de massa entre tipos de quarks. “Todas as quatro [mudanças] precisaram de muito poder de computação”, disse Fodor.
Os pesquisadores então confiscaram supercomputadores em Jülich, Munique, Stuttgart, Orsay, Roma, Wuppertal e Budapeste e os colocaram para trabalhar em um cálculo novo e melhor. Depois de várias centenas de milhões de horas centrais de processamento, os supercomputadores cuspiram um valor para o termo de polarização a vácuo hadrônico. Seu total, quando combinado com todas as outras contribuições quânticas para o fator g do múon, rendeu 2,00233183908. Isso está “de acordo bastante” com o experimento de Brookhaven, disse Fodor. “Nós o verificamos um milhão de vezes porque ficamos muito surpresos.” Em fevereiro de 2020, eles postaram seu trabalho no servidor de pré-impressão arxiv.org.
A Theory Initiative decidiu não incluir o valor da BMW em sua estimativa oficial por alguns motivos. A abordagem baseada em dados tem uma barra de erro ligeiramente menor e três grupos de pesquisa diferentes calcularam independentemente a mesma coisa. Em contraste, o cálculo da rede da BMW não foi publicado no verão passado. E embora o resultado concorde bem com cálculos de rede anteriores, menos precisos, que também resultaram em alta, não foi replicado de forma independente por outro grupo com a mesma precisão.
A decisão da Theory Initiative significa que o valor teórico oficial do momento magnético do múon teve uma diferença de 3,7 sigma com a medição experimental de Brookhaven. Ele preparou o terreno para o que se tornou a revelação mais esperada da física de partículas desde o bóson de Higgs em 2012.
As revelações
Há um mês, a equipe do Fermilab Muon g-2 anunciou que apresentaria seus primeiros resultados hoje. Os físicos de partículas ficaram em êxtase. Laura Baudis, física da Universidade de Zurique, disse que estava “contando os dias até 7 de abril”, após antecipar o resultado por 20 anos. “Se os resultados do Brookhaven forem confirmados pelo novo experimento no Fermilab”, disse ela, “isso seria uma conquista enorme”.
E se não – se a anomalia desaparecesse – alguns na comunidade da física de partículas temiam nada menos do que “o fim da física de partículas”, disse Stöckinger. O experimento Fermilab g-2 é “nossa última esperança de um experimento que realmente prove a existência da física além do Modelo Padrão”, disse ele. Se isso não acontecer, muitos pesquisadores podem sentir que “agora desistimos e temos que fazer outra coisa, em vez de pesquisar a física além do Modelo Padrão”. Ele acrescentou: “Honestamente falando, pode ser minha própria reação”.
A equipe do Fermilab, composta de 200 pessoas, revelou o resultado a si mesma há apenas seis semanas, em uma cerimônia de inauguração no Zoom. Tammy Walton, uma cientista da equipe, correu para casa para assistir ao show depois de trabalhar no turno da noite no experimento, que atualmente está em sua quarta execução. (A nova análise cobre os dados da primeira execução, o que representa 6% do que o experimento eventualmente acumulará.) Quando o número importantíssimo apareceu na tela, plotado junto com a previsão da Theory Initiative e a medição de Brookhaven, Walton estava emocionado ao vê-lo pousar mais alto do que o anterior e muito bem em cima do último. “As pessoas vão ficar loucamente animadas”, disse ela.
Artigos propondo várias idéias para a nova física devem inundar o arxiv nos próximos dias. Além disso, o futuro não está claro. O que antes era uma brecha esclarecedora entre teoria e experimento foi obscurecido por um confronto de cálculos muito mais nebuloso.
É possível que o cálculo do supercomputador esteja errado – que a BMW tenha esquecido alguma fonte de erro. “Precisamos dar uma olhada no cálculo”, disse El-Khadra, enfatizando que é muito cedo para tirar conclusões firmes. “É forçar os métodos para obter essa precisão e precisamos entender se a maneira como eles aplicaram os métodos os quebrou”.
Isso seria uma boa notícia para os fãs da nova física.
Curiosamente, no entanto, mesmo que o método baseado em dados seja a abordagem com um problema não identificado subjacente, os teóricos têm dificuldade em entender qual poderia ser o problema, a não ser uma nova física não explicada. “A necessidade de uma nova física só mudaria em outro lugar”, disse Martin Hoferichter, da Universidade de Berna, um dos principais membros da Theory Initiative.
Pesquisadores que têm explorado possíveis problemas com o método baseado em dados no ano passado dizem que é improvável que os dados em si estejam errados. Ele vem de décadas de medições ultraprecisas de 35 processos hadrônicos. Mas “pode ser que os dados, ou a forma como são interpretados, sejam enganosos”, disse Andreas Crivellin, do CERN e outras instituições, co-autor (junto com Hoferichter) de um artigo que estuda essa possibilidade.
É possível, ele explicou, que a interferência destrutiva aconteça para reduzir a probabilidade de os processos hadrônicos surgirem em certas colisões elétron-pósitron, sem afetar a polarização de vácuo hadrônica perto de múons; então, a extrapolação baseada em dados de um para o outro não funciona muito bem. Nesse caso, porém, outro cálculo do Modelo Padrão que é sensível aos mesmos processos hadrônicos é jogado fora, criando uma tensão diferente entre a teoria e os dados. E essa tensão por si mesma sugeriria uma nova física.
É complicado resolver essa outra tensão enquanto mantém a nova física “elusiva o suficiente para não ter sido observada em outro lugar”, como El-Khadra colocou, mas é possível – por exemplo, introduzindo os efeitos de partículas hipotéticas chamadas léptons semelhantes a vetores.
Assim, o mistério que gira em torno dos múons pode nos levar além do Modelo Padrão a um relato mais completo do universo, afinal. Seja como for, é seguro dizer que as notícias de hoje – tanto o resultado do Fermilab quanto a publicação do cálculo BMW na Nature – não são o fim da física de partículas.
Publicado em 09/04/2021 13h07
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/
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