Experimentos com múons desafiam o Modelo Padrão da Física de Partículas?

- Atualizado 11 de agosto de 2023 -

O Modelo Padrão de física das partículas descreve a vasta maioria dos experimentos e observações envolvendo partículas elementares. Qualquer desvio das predições desse modelo seria o sinal de uma nova e fundamental física.

Em um estudo publicado em 2021 no periódico Physical Review Letters (Ref.1), pesquisadores reportaram os impactantes resultados do experimento 'Muon g - 2', conduzido no Laboratório Nacional Acelerador Fermi (Fermilab), Illinois, EUA, os quais corroboraram experimentos conduzidos em 2001 sugerindo que os múons - partículas elementares instáveis semelhantes aos elétrons (carga elétrica -1 e spin de 1/2) mas muito mais massivos (~200x) - são mais magnéticos do que o Modelo Padrão tradicionalmente previa. Agora, um novo estudo no mesmo laboratório (Ref.4), com resultados duas vezes mais precisos, reforçou o achado. Porém cálculos teóricos nos últimos anos, usando simulações computacionais, sugerem que a anomalia acusada pode não ser uma real anomalia.

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Múons ocorrem naturalmente quando raios cósmicos interagem com a atmosfera terrestre (1) e também são produzidos nos aceleradores de partículas. Essas partículas são instáveis, decaindo em partículas mais leves pouco tempo depois de criadas. Essas partículas exibem um magneto interno que interage com campos magnéticos externos. O magnetismo do múon tem origem principalmente do fato dessa partícula possuir uma carga elétrica e um spin associado (propriedade quântica intrínseca de partículas). A velocidade de precessão do múon em um dado campo magnético depende do momento magnético do múon, tipicamente representado pela letra g; no níveis mais simples, teoria prediz que g deveria ser igual a 2.

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(1) Aliás, o decaimento dos múons faz parte de um clássico experimento validando a Teoria da Relatividade Especial. Para mais informações, acesse: Qual a diferença entre as Teorias da Relatividade Geral e da Relatividade Especial?

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Porém, o campo magnético do múon é realçado por 'partículas virtuais' que emergem do vácuo (quantum foam) e desaparecem em uma fração de segundo depois (2). Quando as partículas virtuais emergem, essas interagem com o múon, mudando o modo como essa partícula interage com o campo magnético. Nesse sentido e segundo o Modelo Padrão, o momento magnético do múon deveria ser um número muito próximo, mas não igual a 2. O Modelo Padrão incorpora todas as partículas virtuais conhecidas que interagem com o múon e prediz como o vácuo quântico muda o valo de g. Experimentos, portanto, tentam medir com a maior precisão possível essa pequena diferença ('g - 2'). Nesse contexto, um experimento de 2001 no Laboratório Nacional de Brookhaven, New York, tinha encontrado um valor acima do previsto pelo modelo teórico.

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(2) Na Quântica, mesmo o espaço "vazio" (vácuo) não é realmente vazio. Ao invés disso, é preenchido com um mar invisível de partículas virtuais que, de acordo com as leis da física quântica, aparecem e desaparecem "do nada" por espaços curtíssimos de tempo (~2 milionésimos de segundo). Os cientistas conseguem testar a presença e natureza dessas partículas virtuais com feixes de partículas viajando em um campo magnético ou mesmo com poderosos lasers tradicionais (constituídos de fótons, as partículas de luz) (3).

(3) Leitura recomendada: Físicos estão construindo um laser tão poderoso que esse será capaz de rasgar até mesmo o espaço vazio

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No estudo de 2021, uma colaboração de 181 cientistas de sete países e 33 instituições refizeram o experimento de 2001, colocando feixes repetidos de múons para rodar em círculos ao redor de um anel magnético supercondutor com 15 metros de diâmetro, no Fermilab. Dados do re-experimento começaram a ser coletados em 2018, rendendo resultados quase três vezes melhores do que aqueles do experimento prévio. Os resultados indicaram uma anomalia positiva no momento magnético do múon em relação ao previsto pelo Modelo Padrão (~3,7 desvios padrões), e em concordância com o experimento de 2001.

Durante o movimento circular do múon dentro do acelerador - cerca de 1000x [círculos completos] e a velocidades próximas da luz -, essa partícula interage com as partículas subatômicas virtuais criadas a partir do vácuo e em um ambiente submetido a um fortíssimo campo magnético uniforme (equivalente a ~30000x o valor do campo magnético da Terra). Essas partículas virtuais de vida muito curta, ao interagirem magneticamente com o múon, podem fazer este ser acelerado ou desacelerados dentro do equipamento, e essas mudanças de aceleração [e na velocidade de precessão do múon] podem ser detectadas por sensores ao longo do acelerador. O momento magnético anômalo resultante dessas interações é predito com extrema precisão pelo Modelo Padrão. Caso os efeitos da interferência desviem da previsão teórica, isso sinaliza forças ou partículas [virtuais ou não] adicionais não levadas em conta pelo Modelo Padrão.

Na nova atualização, os pesquisadores coletaram e analisaram dados acumulados em 2019 (Run-2) e 2020 (Run-3) no Experimento Muon g-2, com mais de quatro vezes o número de pósitrons (antipartícula do elétron) do decaimento de múons do que os dados acumulados em 2018. Os resultados das análises - incluindo os dados de 2018 - reforçaram os resultados de 2021 e mais uma vez suportaram um magnetismo do múon maior do que o teoricamente previsto, e com um erro sistemático geral de 0,20 partes por milhão (ppm) - o que implica uma precisão melhorada por um fator de 2 relativo ao último valor encontrado para o momento magnético anômalo do múon.

O novo valor atualizado encontrado foi de g-2 = 0.00233184110 +/- 0.00000000043 [erro estatístico], e com erro sistemático de 0,20 ppm. O valor e cálculos experimentais associados foram submetidos para publicação no periódico Physical Review Letters (Ref.5). O valor desvia do valor teórico tradicional por ~2 ppm.

Se por um lado o objetivo de redução do erro sistemático foi alcançado com os novos resultados - associado com imperfeições experimentais (incertezas sistemáticas) -, ainda é necessário superar a incerteza estatística, associada com a quantidade de dados analisados. Isso será feito quando 6 anos de dados já gerados forem incorporados (experimentos em 2021-2023 somados aos dados dos experimentos de 2018, 2019 e 2020). Hoje o erro sistemático é de 0,43 ppm.

O principal objetivo dos experimentos no Fermilab é testar as predições do Modelo Padrão relativas ao valor de g-2 com uma precisão de 0,14 ppm. Se inconsistências persistirem nesse nível de precisão, isso indicaria que o Modelo Padrão está incompleto e que precisa de revisão.

Mas enquanto os novos resultados no Fermilab estão sendo anunciados pela mídia popular como um claro desafio ao Modelo Padrão e como um sinal de novas forças físicas desconhecidas, simulações computacionais teóricas mais recentes - e independentes de dados de colisores - parecem reconciliar os dados experimentais inicialmente anômalos com a teoria quântica (Ref.6-7)

Somado a isso, um resultado experimental independente postado no começo deste ano ainda como preprint (Ref.8), oriundo de dados coletados de colisões de elétrons e suas antipartículas (pósitrons) (3) em um experimento chamado de CMD-3, em Novosibirsk, Rússia, entrou em discordância com outros colisores de elétrons-pósitrons. Quando dados do experimento alimentaram cálculos teóricos para g-2, a discrepância entre valores teóricos e experimentais do múon desapareceram.

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(3) Leitura recomendada: O que é a antimatéria?

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REFERÊNCIAS