O grande momento dos múons poderia impulsionar uma nova física

O experimento do Fermilab para medir o momento magnético do múon com mais precisão pode revelar partículas virtuais desconhecidas.

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O experimento Muon g-2 procurará desvios do modelo padrão, medindo como os múons se agitam em um campo magnético. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab.

Por Elizabeth Gibney
Publicado na Nature

Na busca de uma nova física, experimentos baseados em colisões de alta energia dentro de colisores de átomos estão voltando com as mãos vazias. Então, os físicos estão colocando sua fé em métodos mais precisos: menos colisões e mais observações. No mês que vem, pesquisadores nos Estados Unidos ativarão um desses experimentos. Isso fará uma medida super-precisa da forma como múons, primos pesados ​​de elétrons, se comportam em um campo magnético. E isso poderia provar a existência de partículas totalmente novas.

As partículas caçadas pelo novo experimento, no Laboratório Nacional de Fermi em Batavia, Illinois, compreendem parte da sopa virtual que envolve e interage com todas as formas de matéria. A teoria quântica diz que as partículas virtuais de curta duração constantemente “pisam” dentro e fora da existência. Os físicos já representam os efeitos de partículas virtuais conhecidas, como fótons e quarks. Mas a sopa virtual pode ter ingredientes misteriosos e ainda não identificados. E os múons podem ser particularmente sensíveis a eles.

O novo experimento Muon g-2 medirá essa sensibilidade com uma precisão sem precedentes. E, ao fazê-lo, irá reanalisar uma anomalia dos múons que desconcerta os físicos há mais de uma década. Se o experimento confirmar que a anomalia é real, a explicação mais provável é que ela é causada por partículas virtuais que não aparecem no livro didático de física existente – o modelo padrão.

Adaptado e traduzido de go.nature.com/2naoxaw.

“Seria a primeira evidência direta de não só uma física além do modelo padrão, mas de partículas totalmente novas”, diz Dominik Stöckinger, teórico da Universidade Técnica de Dresden, Alemanha, e membro da colaboração Muon g-2.

Os físicos estão clamando por um sucessor do modelo padrão – uma teoria que tem sido fantasticamente bem sucedida e ainda é conhecida por estar incompleta porque não é responsável por muitos fenômenos, como a existência de matéria escura. As experiências no Large Hadron Collider (LHC) no CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, na Suíça, não revelaram uma fenda específica, apesar de realizar centenas de pesquisas de física além do modelo padrão. A anomalia do múon é uma das únicas pistas que os físicos têm.

As medições do momento magnético do múon – uma propriedade fundamental que se relaciona com o magnetismo inerente da partícula – podem conter a chave, porque é modificada pelas interações com partículas virtuais. Quando medido pela última vez há 15 anos no Brookhaven National Laboratory em Nova York, o momento magnético do múon foi maior do que o previsto pela teoria. Os físicos pensam que a interação com partículas desconhecidas, talvez aquelas previstas por uma teoria chamada supersimetria, pode ter causado essa anomalia.

Outras explicações possíveis são um acaso estatístico ou uma falha no cálculo do modelo padrão dos teóricos, que combina os efeitos complexos das partículas conhecidas. Mas isso está se tornando menos provável, diz Stöckinger, que diz que novos métodos de cálculo e verificações cruzadas experimentais tornam o lado teórico muito mais robusto do que era há 15 anos.

“Com este resultado tentador do Brookhaven, você realmente precisa fazer um experimento melhor”, diz Lee Roberts, físico da Universidade de Boston em Massachusetts, líder do experimento Muon g-2. A instalação do Fermilab usará 20 vezes o número de múons usados ​​na experiência do Brookhaven para reduzir a incerteza por um fator de 4. “Se concordarmos, mas com um erro muito menor, isso irá mostrar definitivamente que há uma partícula que não tem foi observado em qualquer outro lugar”, diz ele.

Para sondar os múons, os físicos do Fermilab injetarão as partículas em um campo magnético contido em um anel com cerca de 14 metros de diâmetro. Cada partícula tem uma propriedade magnética chamada spin, que é análoga à Terra girando em seu eixo. À medida que os múons viajam ao redor do anel perto da velocidade da luz, seus eixos de rotação se agitam no campo, como toques de fiação fora de linha. A combinação dessa taxa de precessão com uma medida do campo magnético dá o momento magnético das partículas.

Desde o resultado do Brookhaven, algumas explicações populares para a anomalia – incluindo os efeitos de hipotéticos fótons escuros – parecem ter sido descartadas por outras experiências, diz Stöckinger. “Mas se você olhar para toda a gama de cenários para física além do modelo padrão, há muitas possibilidades”.

Fermilab é o lar do experimento Muon g-2.

Embora um resultado positivo dê pouca indicação de exatamente quais são as novas partículas, isso proporcionaria indícios de como outros experimentos poderiam consertá-los. Se a discrepância do Brookhaven relativamente grande for mantida, ela só pode vir de partículas relativamente leves, que devem estar ao alcance do LHC, diz Stöckinger, mesmo que interajam tão raramente que levem anos para que surjam.

De fato, o desejo de construir resultados anteriores é tão forte que, para evitar possíveis viés, os experimentadores do Fermilab processarão seus resultados recebidos ‘cegos’ e aplicarão um deslocamento diferente para cada uma das duas medidas que se combinam para dar o momento magnético. Uma vez que as compensações forem reveladas, alguém saberá se eles têm prova de novas partículas escondidas na sopa quântica. “Até então, ninguém sabe qual é a resposta”, diz Roberts. “Será um momento emocionante”.

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