Novo cálculo relacionado a partícula obscura pode diminuir as esperanças de uma nova física

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O experimento em andamento do Múon g-2 coletou dados do Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York de 1997 a 2001 e vem coletando dados do Laboratório do Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) em Illinois desde 2018. Crédito: Michael Linden.

Por Adrian Cho
Publicado na Science

Em 7 de abril, uma colaboração de mais de 200 cientistas anunciou com grande alarde que uma partícula chamada múon é ligeiramente mais magnética do que o previsto pelo Modelo Padrão da Física, uma discrepância que poderia sinalizar novas partículas esperando para serem descobertas. Mas no mesmo dia, 14 teóricos publicaram um estudo que sugere que a previsão teórica do consenso está errada. Seu valor fica mais próximo do resultado experimental e faz a discrepância tentadora quase desaparecer.

“O Modelo Padrão está ótimo, de acordo com nossos cálculos”, disse Zoltan Fodor, teórico da Universidade Estadual da Pensilvânia, University Park (EUA) e líder da colaboração Budapeste-Marselha-Wuppertal (BMW), que produziu o novo resultado teórico. No entanto, outros dizem que é muito cedo para descartar o cálculo anterior, que é produto de décadas de esforço árduo. “Não podemos ignorar imediatamente tudo o que sabemos e mudar para um único novo resultado de um novo método”, disse Christoph Lehner, um teórico da Universidade de Ratisbona (Alemanha).

Primo mais pesado e instável do elétron, o múon atua como uma minúscula barra magnética, e seu magnetismo fornece um meio de detectar indícios de novas partículas. A mecânica quântica e a relatividade exigem que o múon tenha um certo magnetismo básico. Graças à incerteza quântica, partículas e antipartículas também entram e saem da existência constantemente ao redor do múon. Essas partículas “virtuais” não podem ser observadas diretamente, mas podem afetar as propriedades do múon, incluindo o magnetismo. As partículas do Modelo Padrão devem aumentar seu magnetismo em cerca de 0,1%, e partículas ainda desconhecidas adicionariam seu próprio estímulos. Essas partículas podem algum dia vir a existir em um destruidor de átomos.

É por isso que os físicos ficaram tão entusiasmados quando o experimento Múon g-2 no Fermilab confirmou uma pista de 20 anos de que o múon é cerca de 2,5 partes por bilhão a mais magnético do que o Modelo Padrão prevê, de acordo com o valor de consenso, lançado no ano passado pela Iniciativa da Teoria do Múon g-2 com 132 membros.

Para fazer essa previsão, os teóricos tiveram que dar conta das milhares de maneiras pelas quais as partículas do Modelo Padrão podem flutuar em torno do múon e afetar seu comportamento. Uma família de processos, conhecida como polarização hadrônica de vácuo, é especialmente desafiadora e limita a precisão de todo o cálculo. Nela, o múon emite e reabsorve partículas conhecidas como hádrons, que consistem em outras partículas chamadas quarks. A teoria dos quarks e da força nuclear forte que os liga, a cromodinâmica quântica (QCD), é tão complicada que os teóricos não conseguem calcular os efeitos por meio das séries usuais de aproximações cada vez menores. Em vez disso, eles precisam contar com dados de aceleradores que criam hádrons pela colisão de elétrons e pósitrons.

Porém, há outra maneira. Os teóricos podem tentar cálculos de QCD de alta precisão em supercomputadores, se modelarem o continuum espaço-tempo como uma rede de pontos discretos ocupados por quarks e partículas chamadas glúons, que transmitem a força forte. Doze anos atrás, os teóricos mostraram que esta técnica de “QCD na rede” podia calcular as massas do próton e do nêutron, que são hádrons. Vários grupos também aplicaram a rede ao magnetismo do múon, embora com incertezas consideráveis.

Agora, usando centenas de milhões de horas de processamento no Centro de Pesquisa de Jülich na Alemanha, o grupo de Fodor produziu um cálculo de rede da polarização hadrônica de vácuo e um valor para o magnetismo do múon que rivaliza com o valor de consenso do Modelo Padrão em precisão. E o novo resultado está apenas uma parte por bilhão abaixo do valor experimental, relatou a equipe na Nature. Dadas as incertezas, isso está perto demais para alegar uma discrepância, disse Fodor.

Esqueça a discrepância?

Se um novo valor de “rede” para o magnetismo do múon estiver correto, discrepância misteriosa entre outras previsões e uma medição recente quase desapareceria.

Créditos: V. Altounian / Science. Dados: Abi et al., Phys. Rev. Lett., 2021; Borsanyi et al., Nature DOI: 10.1038/S41586-021-03418-1; Blum et al., Phys. Rev. Lett., 121, 2018; Aoyama et al., Physics Reports, 2020.

Ele também levanta questões sobre o valor do consenso. Para dados importantes, depende principalmente dos resultados de dois coletores, e os dois conjuntos de dados discordam de forma preocupante, disse Fodor. O resultado de sua equipe está livre dessas incertezas. “Este é o único cálculo disponível, então algumas pessoas se sentem desconfortáveis”, disse ele.

No entanto, alguns teóricos dizem que é muito cedo para colocar tanto peso em um único cálculo de rede. Aida El-Khadra, teórica de redes na Universidade de Illinois, Urbana-Champaign, e líder da Iniciativa da Teoria do Muón g-2, observa que as incertezas no valor de consenso refletem principalmente a precisão limitada dos dados de entrada. Em contraste, as incertezas no valor da rede refletem a confiabilidade do próprio método e são mais difíceis de quantificar e interpretar, disse El-Khadra. “O significado dos erros é muito diferente”, disse ela.

Além disso, em 2018, Lehner e colegas realizaram uma análise combinando dados do acelerador e um cálculo de rede de menor precisão. Sua estimativa híbrida do magnetismo do múon concorda fortemente com a previsão de consenso, disse Lehner.

“O resultado da BMW precisa ser confirmado por outros cálculos de rede independentes”, disse Alexey Petrov, um teórico da Universidade Estadual Wayne (EUA). Esses cálculos de alta precisão devem aparecer dentro de um ano. Mas se os resultados da rede concordam entre si, mas não a abordagem baseada em dados, então os teóricos ainda terão que descobrir por que os dois métodos discordam, disse Petrov.

Até então, seria prematuro dizer que o mistério tentador levantado pelas medições do g-2 foi explicado, disse El-Khadra. “O cálculo do Modelo Padrão é sólido”, insiste ela. O mesmo ocorre com o valor experimental. E, pelo melhor conhecimento dos físicos, eles são diferentes.