Depois de uma espera de duas décadas que incluiu uma longa luta por financiamento e uma passagem pela metade de um continente, um experimento reiniciado no múon – uma partícula semelhante ao elétron, mas mais pesada e instável – está prestes a revelar seus resultados. Os físicos têm grandes esperanças de que sua última medição do magnetismo do múon, programada para ser lançada em 7 de abril, irá sustentar descobertas anteriores que podem levar à descoberta de novas partículas.
O experimento Muon g-2, agora baseado no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) em Batavia, Illinois, foi executado pela primeira vez entre 1997 e 2001 no Brookhaven National Laboratory em Long Island, Nova York. Os resultados originais, anunciados em 2001 e finalizados em 20061, descobriram que o momento magnético do múon – uma medida do campo magnético que ele gera – é ligeiramente maior do que a teoria previa. Isso causou sensação e gerou polêmica entre os físicos. Se esses resultados forem finalmente confirmados – no anúncio da próxima semana, ou por experimentos futuros – eles podem revelar a existência de novas partículas elementares e derrubar a física fundamental. “Todo mundo está impaciente”, diz Aida El-Khadra, uma física teórica da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
Medidas magnéticas
Muon g – 2 mede o momento magnético do múon movendo as partículas em um círculo de 15 metros de diâmetro. Um poderoso ímã mantém os múons em sua trajetória circular e, ao mesmo tempo, faz seu eixo magnético norte-sul girar. Quanto mais forte o momento magnético das partículas, mais rápido o eixo girará. “O que medimos é a taxa na qual o múon gira no campo magnético, como um topo [giratório] em precessão”, diz Lee Roberts, um físico da Universidade de Boston em Massachusetts, que trabalhou no Muon g-2 e seu antecessor desde 1989.
A discrepância das expectativas teóricas que o experimento original encontrou era pequena, mas grande o suficiente para causar um rebuliço entre os teóricos. Para uma primeira aproximação, a física quântica prevê que partículas elementares como o múon e o elétron têm um momento magnético exatamente igual a 2 (em unidades de medida que dependem da partícula). Mas um cálculo mais completo revela um desvio desse valor perfeito, causado pelo fato de que o espaço vazio nunca é verdadeiramente vazio. O espaço ao redor de um múon fervilha com todos os tipos de “partículas virtuais” – versões efêmeras de partículas reais que aparecem e desaparecem continuamente do vácuo – que alteram o campo magnético do múon.
Quanto mais tipos de partículas existem, mais suas versões virtuais afetam o momento magnético. Isso significa que uma medição de alta precisão pode revelar evidências indiretas da existência de partículas até então desconhecidas. “Basicamente, o que estamos medindo é um número que é a soma de tudo o que a natureza tem lá fora”, diz Roberts.
O momento magnético resultante é apenas ligeiramente diferente de 2, e essa pequena diferença é comumente denotada por g – 2. Em Brookhaven, os físicos descobriram que g – 2 era 0,0023318319. Na época, isso era um pouco maior do que as melhores estimativas dos teóricos das contribuições de partículas virtuais conhecidas.
A precisão da medição não era alta o suficiente para afirmar com confiança que a discrepância era real, mas era grande o suficiente para causar entusiasmo. Os resultados também vieram em um momento em que o campo parecia pronto para um período explosivo de descobertas. O Large Hadron Collider (LHC) estava em construção na fronteira entre a Suíça e a França, e os teóricos acreditavam que ele descobriria um grande número de novas partículas. Mas, além da histórica descoberta do bóson de Higgs em 2012, o LHC não encontrou nenhuma outra partícula elementar. Além disso, seus dados descartaram muitos candidatos potenciais para partículas virtuais que poderiam ter inflado o momento magnético do múon, diz Michael Peskin, um físico teórico do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia.
Mas o LHC não descartou todas as explicações possíveis para a discrepância, diz Peskin. Entre eles, diz o físico teórico Dominik Stöckinger, da Universidade de Dresden, na Alemanha, é que não existe apenas um tipo de bóson de Higgs, mas pelo menos dois.
Teoria em evolução
Na época do experimento de Brookhaven, o valor experimental para o momento magnético do múon teve que ser comparado com as previsões teóricas que vieram com incertezas relativamente grandes. Mas enquanto a melhor medição experimental de g – 2 não mudou em 15 anos, a teoria evoluiu. No ano passado, uma grande colaboração co-presidida por El-Khadra reuniu várias equipes de pesquisadores – cada um especializado em um tipo de partícula virtual – e publicou um valor de “consenso” para a constante fundamental2. A discrepância entre os valores teóricos e experimentais não mudou.
Também no ano passado, uma equipe chamada Colaboração Budapeste-Marselha-Wuppertal postou um pré-impressão que sugeria um valor teórico para g-2 mais próximo do experimental3. A equipe se concentrou em uma fonte particularmente teimosa de incerteza na teoria, proveniente de versões virtuais de glúons, as partículas que transmitem a força nuclear forte. Se seus resultados estiverem corretos, a lacuna entre a teoria e o experimento pode acabar não existindo. As descobertas preliminares, que atualmente estão sendo analisadas para publicação, “causaram um grande impacto” e desde então têm sido intensamente debatidas, diz El-Khadra.
Os resultados a serem divulgados em 7 de abril podem não resolver a questão ainda. Graças a atualizações no aparelho, a equipe espera melhorar a precisão do g-2 em quatro vezes em comparação com o experimento de Brookhaven. Mas até agora analisou apenas um ano dos dados coletados desde 2017 – não o suficiente para que a margem de erro seja mais estreita do que para o experimento de Brookhaven. Ainda assim, Roberts diz, se a medição corresponder muito à original, a confiança nesse resultado aumentará.
Se o Fermilab finalmente confirmar a surpresa de Brookhaven, a comunidade científica provavelmente pedirá outra confirmação independente. Isso poderia vir de uma técnica experimental que está sendo desenvolvida no Complexo de Pesquisa do Acelerador de Protons do Japão (J-PARC) perto de Tokai, que mede o momento magnético do múon de uma maneira radicalmente diferente.
Publicado em 02/04/2021 02h34
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