doi.org/10.1103/PhysRevD.1
Credibilidade: 999
#Múon
Cientistas mediram o momento magnético do múon com uma precisão sem precedentes, mais que dobrando o recorde anterior.
Físicos da Muon g-2 Collaboration ciclaram múons, conhecidos como “elétrons pesados”, em um anel de armazenamento de partículas no Fermilab, nos Estados Unidos, quase à velocidade da luz. Aplicando um campo magnético cerca de 30.000 vezes mais forte que o da Terra, os múons precessaram como piões em torno de seu eixo de rotação devido ao seu próprio momento magnético.
Conforme eles circulavam um anel de armazenamento de 7,1 metros de diâmetro, o momento magnético do múon, influenciado por partículas virtuais no vácuo, interagia com o campo magnético externo. Ao comparar essa frequência de precessão com a frequência de ciclo ao redor do anel, a colaboração foi capaz de determinar o “momento magnético anômalo” do múon com uma precisão de 0,2 partes por milhão.
Esta medição do momento magnético do múon é a mais recente de uma sequência que remonta a 2006, com o original realizado no Brookhaven National Laboratory em Long Island, Nova York. Cada experimento subsequente melhorou a precisão da medição. A precisão da medição mais recente é 2,2 vezes melhor do que a determinação anterior do mesmo grupo com base em dados anteriores. A Muon g-2 Collaboration consiste em 181 cientistas de sete países e 33 instituições; seu trabalho mais recente foi publicado na Physical Review D.
Os múons são 207 vezes mais massivos do que um elétron, mas de outra forma idênticos, com a mesma carga elétrica e spin. (“Quem ordenou isso”” exclamou o físico e eventual ganhador do Prêmio Nobel Isidor Isaac Rabi quando o múon foi descoberto em 1936. Um primo ainda mais massivo nesta família de léptons foi descoberto em 1975, chamado tau, com uma massa 3.477 vezes maior que a do elétron.)
A determinação dos momentos magnéticos dos léptons, tanto teórica quanto experimentalmente, representa o auge da conquista científica. O momento magnético do elétron agora é conhecido por 11 dígitos significativos com uma precisão relativa de uma parte em 10 trilhões. Surpreendentemente, a previsão teórica calculada por meio de diagramas de Feynman da eletrodinâmica quântica (QED) concorda com o valor medido para 10 algarismos significativos.
Nesses níveis de precisão, as medições de múons esperam farejar quaisquer desvios da teoria que representariam a física além do Modelo Padrão.
A previsão de ordem mais baixa é baseada em QED, e obter essa alta precisão requer calcular milhares de diagramas de Feynman complicados usando computadores. (Julian Schwinger fez história em 1948 quando calculou manualmente a correção de ordem mais baixa para o momento magnético anômalo do elétron, “/2”, que aparece em sua lápide. Ele usou QED, mas não diagramas de Feynman, usando sua própria técnica altamente analítica que não é mais popular.)
Comparada ao elétron, a teoria que prevê o momento magnético anômalo do múon é diferente e mais difícil de prever. O resultado da QED se aplica exatamente como para o elétron (mas com uma massa diferente, é claro), com duas considerações adicionais: a contribuição da teoria eletrofraca e a dos hádrons no Modelo Padrão.
A primeira significa incluir efeitos de bósons de Higgs virtuais e ambos os bósons Z, e a última de loops de hádrons virtuais como o próton, nêutron e mésons. Por causa de sua massa mais pesada, o múon é 43.000 vezes mais sensível a novas partículas que podem aparecer na física além do Modelo Padrão. (As possibilidades incluem supersimetria, teoria das cordas e mais.)
Limitações na teoria surgem do setor de hádrons do cálculo. A colaboração escreve: “Embora as contribuições da QED e eletrofraca sejam amplamente consideradas não controversas, a previsão SM do múon g-2 é limitada por nosso conhecimento das flutuações de vácuo envolvendo partículas fortemente interativas, compreendendo efeitos chamados polarização de vácuo hadrônica e espalhamento luz por luz hadrônica.” (Aqui, “g-2” é o momento magnético anômalo).
Dentro do anel de armazenamento do Fermilab, uma explosão de oito feixes de múons é injetada a cada 1,4 segundos, seguida pelo mesmo padrão cerca de 267 milissegundos depois. Dessa forma, cerca de 100.000 múons positivos são entregues a cada vez ao anel de armazenamento, 96% com seus spins polarizados. Os dados foram compilados entre março a julho de 2019 e novembro de 20190 a março de 2020. Essas segunda e terceira execuções consistiram em mais de quatro vezes mais dados do que a execução de 2018 e, no total, os dados abrangem três anos.
Experimentalistas corrigiram uma série de fatores sistemáticos que, de outra forma, distorciam os resultados: várias correções para a dinâmica do feixe que circunda o anel de armazenamento, como perdas de múons devido à abertura finita do anel, uma dispersão nos múons do anel devido a um campo elétrico diferente de zero, perturbações transitórias no campo magnético devido à inicialização de injeções de múons no anel e muito mais. Múons sujeitos a mudanças repentinas ocasionais no campo magnético tiveram que ser separados dos dados.
Apesar dos dados atuais melhorarem a precisão por um fator de mais de dois, o grupo finalmente concluiu que nenhuma comparação com a teoria ainda é possível.Mesmo para elétrons, alguns dados experimentais anteriores são necessários para corrigir a teoria dos efeitos de hádrons, e os dois experimentos disponíveis para essa correção discordam. Assim, o valor de alta precisão para o momento magnético do múon também é limitado.
Mais três anos de dados aguardam análise, que o grupo espera que resulte em precisão estatística melhorada – devido ao número de múons medidos – por outro fator de aproximadamente 2.
Publicado em 15/09/2024 18h20
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