Experimento com múons mostra indícios de uma Nova Física

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/04/2021

Experimento com múons mostra indícios de uma Nova Física

O múon gira como um pião, transformando-se em um pequeno ímã cercado por um campo magnético. Ele segue uma trajetória ao longo da qual interage com o ímã do experimento Múon g-2, bem como com partículas virtuais do vácuo quântico. Assim, ele polariza o vácuo, levando à modificação de seu momento magnético.
[Imagem: Dani Zemba/Pennsylvania State University]


Partículas ou forças desconhecidas

Físicos encontraram o primeiro indício experimental da existência de uma "Nova Física" além do Modelo Padrão, que hoje explica todas as partículas e forças conhecidas.

A descoberta mostra que o múon, um parente mais pesado do elétron, apresenta uma variação em seu momento magnético que só pode ser explicada pela interação com alguma partícula ou força ainda desconhecida.

O experimento Múon G-2 (lê-se múons gê menos dois), sediado no Acelerador Fermi (Fermilab), nos EUA, confirmou o indício de uma anomalia detectada em 2001 por outro experimento, realizado no Laboratório Nacional Brookhaven, mas que não tinha a precisão necessária.

"Um dia fantástico e um resultado fantástico," comemorou o professor Dominik Stöckinger, da Universidade Tecnológica de Dresden, na Alemanha, que, juntamente com sua esposa Hyejung Stöckinger-Kim, está envolvido por décadas nestes experimentos e nas teorias que os embasam.

Fator g do múon

Como os elétrons, os múons agem como se tivessem um minúsculo ímã interno. Sob um campo magnético forte, a direção do ímã do múon oscila - o fenômeno é chamado precessão -, de forma muito parecida com o eixo de um pião ou de um giroscópio. A força interna do ímã interno determina a taxa de precessão do múon em um campo magnético externo e é descrita por um número que os físicos chamam de fator g.

Pela teoria do Modelo Padrão, o fator g do múon deveria valer 2,00233183620(86), mas o experimento Múon G-2 encontrou um valor de 2,00233184122(82) - os números entre parênteses representam a incerteza.

Mesmo que os valores difiram apenas na oitava casa decimal, esse desvio reforça a indicação de que o Modelo Padrão da física de partículas elementares é inadequado para explicá-lo, indicando que devem existir outras partículas ou outras forças agindo sobre o múon para que ele apresente essa diferença.

Mas ainda há um senão: Os resultados combinados do Fermilab e do Brookhaven mostram uma diferença com a teoria com uma significância de 4,2 sigmas, um pouco abaixo dos 5 sigmas (ou desvios-padrão) que os físicos exigem para reivindicar uma descoberta - a chance de que os resultados sejam uma flutuação estatística é de cerca de 1 em 40.000.

Isso, contudo, não impediu que a comunidade envolvida no experimento afirme que seus resultados apresentam uma "evidência sólida" de uma nova física.

Experimento com múons mostra indícios de uma Nova Física

Este é o Múon g-2, onde os múons revelaram indícios de partículas ou forças desconhecidas.
[Imagem: Reidar Hahn/Fermilab]

Entenda o experimento

Os múons são o principal componente dos raios cósmicos secundários, aqueles gerados quando os raios cósmicos que vêm do espaço profundo chegam à Terra e colidem com os átomos na nossa atmosfera, criando o famoso chuveiro de partículas, detectados por observatórios como o Pierre Auger.

Eles são partículas elementares, semelhantes aos elétrons em muitas de suas propriedades, mas com a diferença de que são cerca de 200 vezes mais pesados.

Uma das semelhanças esperadas pelo Modelo Padrão da Física de Partículas é que o múon e o elétron deveriam possuir o mesmo momento magnético, o famoso "spin", que pode ser entendido como se a partícula fosse a pequena agulha de uma bússola, apontando para baixo ou para cima - o spin está na base de inúmeras tecnologias, da spintrônica ao uso dos elétrons como qubits nos computadores quânticos.

A surpresa veio em 2001, quando um experimento realizado durante cinco anos no Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA, revelou uma diferença significativa entre o valor do momento magnético do múon determinado experimentalmente e aquele previsto pelo Modelo Padrão.

Infelizmente, o experimento não era sensível o suficiente para descartar a flutuação aleatória do valor medido como causa do desvio. Mas o indício era forte demais para ser descartado porque qualquer desvio entre relação à teoria deveria ser causado por alguma outra partícula desconhecida - todas as interações e partículas elementares contribuem com suas respectivas propriedades para o momento magnético do múon.

Múon G-2

Foi aí que entrou em cena o experimento Múon g-2 (lê-se múons gê menos dois), sediado no Acelerador Fermi (Fermilab), também nos EUA. O nome vem do fato de que o momento magnético do múon apresenta um desvio muito ligeiro do valor inteiro 2 (cerca de 0,1%), pelo que os físicos o chamam de g - 2. A matemática da teoria do múon isolado diz que o valor deveria ser exatamente 2, mas isso não acontece na realidade porque o espaço nunca é vazio, e cada partícula está o tempo todo interagindo com as partículas virtuais que pululam do vácuo quântico.

É por isso que há tanto interesse no experimento, uma vez que um desvio desse valor real mostra que os múons estariam interagindo com outras partículas desconhecidas.

O experimento mediu o momento magnético do múon fazendo essas partículas girarem por um círculo de 15 metros de diâmetro. Um poderoso ímã mantém os múons em sua trajetória circular e, ao mesmo tempo, faz o eixo magnético norte-sul das partículas ficar invertendo - quanto mais forte for o momento magnético das partículas, mais rápida será essa inversão de polaridade.

Então, é só medir tudo com uma precisão que garanta os famosos 5 sigmas, o padrão que os físicos usam para estabelecer que o dado de um experimento é realmente significativo, e não fruto de alguma variação aleatória - 5 sigmas equivalem a uma chance em 3,5 milhões de que o dado seja devido ao acaso. O experimento Múon G-2 não atingiu os 5 sigmas, mas os físicos se mostraram bastante satisfeitos com 4,2 sigmas.

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Fonte: Inovação Tecnológica

Tags: partículas magnético experimento múons múon

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