Múon apresenta magnetismo mais forte que o previsto por teoria vigente.
Quando os resultados de um experimento não correspondem às previsões feitas pela melhor teoria do dia, algo está errado.
Há 15 anos, físicos do Laboratório Nacional brookhaven descobriram algo desconcertante. Os múons – um tipo de partícula subatômica – estavam se movendo de maneiras inesperadas que não correspondia às previsões teóricas. A teoria estava errada? A experiência foi cancelada? Ou, tentadoramente, essa evidência da nova física?
Físicos têm tentado resolver esse mistério desde então.
Um grupo da Fermilab abordou o lado experimental e, em 7 de abril de 2021, divulgou resultados confirmando a medição original. Mas o professor Zoltan Fodor da Universidade Estadual da Pensilvânia e sua equipe tomaram uma abordagem diferente. Eles usaram um novo método para calcular como os múons interagem com os campos magnéticos.
A previsão teórica da equipe é diferente da teoria original e corresponde tanto à velha evidência experimental quanto aos novos dados da Fermilab. Se o cálculo de Zoltan e sua equipe estiver correto, resolve a discrepância entre teoria e experimento e sugere que não há uma força desconhecida da natureza.
O resultado foi publicado na revista Nature em 7 de abril de 2021, mesmo dia dos novos resultados experimentais.
O Modelo Padrão da Física é a teoria mais precisa do universo até hoje. Cush/Wikimedia Commons.
O múon e o Modelo Padrão
O múon é uma irmã mais pesada e instável do elétron. Os múons estão ao nosso redor e são, por exemplo, criados quando raios cósmicos colidem com partículas na atmosfera terrestre. Eles são capazes de passar pela matéria, e os pesquisadores os usaram para sondar os interiores inacessíveis de estruturas de vulcões gigantes às pirâmides egípcias.
Os múons, como os elétrons, têm uma carga elétrica e geram pequenos campos magnéticos. A força e orientação deste campo magnético é chamada de momento magnético.
Quase tudo no universo – desde como os átomos são construídos até como seu celular funciona até como as galáxias se movem – pode ser descrito por quatro interações.Você provavelmente está familiarizado com os dois primeiros: gravidade e eletromagnetismo. A terceira é a fraca interação, que é responsável pela decadência radioativa. O último é a forte interação, a a força que mantém os prótons e nêutrons no núcleo de um átomo juntos. Os físicos chamam essa estrutura – menos a gravidade – de modelo padrão da física de partículas.
Todas as interações do Modelo Padrão contribuem para o momento magnético do múon e cada uma o faz de várias maneiras diferentes. Os físicos sabem muito precisamente como o eletromagnetismo e a fraca interação o fazem, mas determinar como a forte interação contribui para o campo magnético do múon provou ser incrivelmente difícil de fazer.
O campo magnético do múon provou ser incrivelmente difícil de prever. Newton Henry Black/Wikimedia Commons
Um mistério magnético
De todos os efeitos que a forte interação tem no momento magnético do múon, o maior e também mais difícil de calcular com a precisão necessária é chamado de Polarização do Vácuo Hadrônico de Ordem Líder.
No passado, para calcular esse efeito, os físicos usavam uma abordagem teórico-experimental mista. Eles coletariam dados de colisões entre elétrons e pósitrons – o oposto dos elétrons – e os usariam para calcular a forte contribuição da forte interação para o momento magnético do múon. Os físicos têm usado essa abordagem para refinar ainda mais a estimativa há décadas. Os últimos resultados são de 2020 e produziram uma estimativa muito precisa.
Este cálculo do momento magnético é o que os físicos experimentais vêm testando há décadas. Até 7 de abril de 2021, o resultado experimental mais preciso era de 15 anos. Para esta medição, no Laboratório Nacional de Brookhaven, pesquisadores criaram múons em um acelerador de partículas e, em seguida, observaram como eles se moviam através de um campo magnético usando um eletroímã gigante de 15 metros de largura. Medindo como os múons se moviam e se deterioravam, eles eram capazes de medir diretamente o momento magnético do múon. Foi uma grande surpresa quando a medição direta de Broohaven em 2006 do momento magnético do múon foi maior do que deveria ter sido de acordo com a teoria.
Diante dessa discrepância, havia três opções: ou a previsão teórica estava incorreta, o experimento estava incorreto ou, como muitos físicos acreditavam, isso era um sinal de uma força desconhecida da natureza.
Então, qual foi?
Novas teorias
Zoltan e seus colegas escolheram seguir a primeira opção: a teoria pode estar fora de alguma forma. Então, decidiram tentar encontrar uma maneira melhor de calcular a previsão. A equipe de físicos pegou as equações subjacentes mais básicas da forte interação, colocou as equações em uma grade espaço-tempo e resolveu o maior número possível delas ao mesmo tempo.
A técnica é como fazer uma previsão do tempo. À medida que aeronaves comerciais voam suas rotas, elas medem a pressão, a temperatura e a velocidade do vento em determinados pontos da Terra. Da mesma forma, coloca a forte equação de interação em uma grade espaço-tempo. Os dados meteorológicos em pontos individuais são então colocados em um supercomputador que combina todos os dados para prever a evolução do tempo. A equipe colocou as fortes forças de interação em uma grade e olhou para a evolução desses campos. Quanto mais aviões coletarem dados, melhor a previsão. Nesta metáfora, usaram bilhões de aviões para calcular o momento magnético mais preciso que poderiam usar milhões de horas de processamento de computador em vários centros de supercomputador na Europa.
Essa nova abordagem produz uma estimativa da força do campo magnético do múon que corresponde intimamente ao valor experimental medido pelos cientistas de Brookhaven. Ele essencialmente fecha a lacuna entre as medidas teóricas e experimentais e, se verdadeira, confirma o Modelo Padrão que guia a física de partículas há décadas.
O experimento Fermilab, usando o mesmo ímã de Brookhaven, mediu um momento magnético quase idêntico para o múon. Reidar Hahn/Fermilab, CC BY
Novos experimentos
Mas o professor Zoltan e seus colegas não foram os únicos a perseguir este mistério. Outros cientistas, como os da Fermilab, um acelerador de partículas perto de Chicago, optaram por testar a segunda opção: que o experimento estava desligado.
Em Fermilab, os físicos têm continuado o experimento que foi feito em Brookhaven para obter uma medição experimental mais precisa do momento magnético do múon. Eles usaram uma fonte mais intensa de múon que lhes deu um resultado mais preciso. Combinava com a medição antiga quase perfeitamente.
Os resultados do Fermilab sugerem fortemente que as medidas experimentais estão corretas. A nova previsão teórica feita por Zoltan e sua equipe coincide com esses resultados experimentais. Embora possa ter sido emocionante descobrir indícios de nova física, a nova teoria deles parece dizer que desta vez, o Modelo Padrão está aguentando.
Um mistério permanece, porém: a distância entre a previsão original e o novo resultado teórico. A equipe de pesquisadors acredita que a nova teoria deles está correta, mas o resultado é o primeiro de seu tipo. Como sempre na ciência, outros cálculos precisam ser feitos para confirmá-lo ou refutá-lo.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation
Zoltan Fodor é professor de física na Universidade Estadual da Pensilvânia. O trabalho de Fodor está focado em entender melhor a cromodinâmica quântica de rede (QCD) e investigar o QCD a temperaturas e densidades não-queumindo. Seus interesses de pesquisa também incluem o estudo de partículas elementares e física nuclear, bem como propriedades fundamentais de quark e hadron.