Muon Discovery traz os físicos um passo mais perto do confronto teórico

Em 24 de julho, uma grande equipe de pesquisadores se reuniu em Liverpool para revelar um único número relacionado ao comportamento do múon, uma partícula subatômica que pode abrir uma porta de entrada para uma nova física em nosso universo.

Todos os olhos estavam na tela do computador quando alguém escreveu um código secreto para liberar os resultados. O primeiro número que saiu foi recebido com indignação: muitos tiros perturbadores, oh meu deus e o que fizemos de errado. “Houve uma expiração coletiva em vários continentes”, disse Kevin Bates, físico da Virginia Tech que estava a cinco horas de distância e quase presente na reunião, após fazer o cálculo final. A nova medição era quase idêntica à que os físicos haviam calculado dois anos antes – agora com o dobro da precisão.

Assim vem a última descoberta da Colaboração Muon g-2, que está realizando um experimento no Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, em Batavia, Illinois, para estudar o movimento de deflexão do múon. Medidas, Anunciar ao público E Foi submetido a Cartas de Revisão Física Na manhã de quinta-feira, os físicos estavam um passo mais perto de descobrir se existem mais tipos de matéria e energia que compõem o universo do que o calculado.

“Tudo se resume a esse único dígito”, disse Hannah Penney, física do Laboratório Lincoln do MIT que trabalhou com medições de múons como estudante de pós-graduação.

Os cientistas estão testando o Modelo Padrão, uma grande teoria que inclui todas as partículas e forças conhecidas na natureza. Embora o Modelo Padrão tenha previsto com sucesso o resultado de inúmeros experimentos, os físicos há muito têm um palpite de que sua estrutura está incompleta. A teoria falha em explicar a gravidade, nem pode explicar a matéria escura (a cola que mantém nosso universo unido) ou a energia escura (a força que o mantém separado).

Uma das muitas maneiras pelas quais os pesquisadores procuram a física além do Modelo Padrão é estudando múons. Como primos mais pesados ​​do elétron, os múons são instáveis, sobrevivendo por apenas dois milionésimos de segundo antes de decair em partículas mais leves. Eles também agem como pequenos ímãs de barra: coloque o múon em um campo magnético e ele balançará como um pião. A velocidade desse movimento depende de uma propriedade do múon chamada momento magnético, que os físicos abreviam com o símbolo g.

Em teoria, g deveria ser exatamente igual a 2. Mas os físicos sabem que esse valor é prejudicado pela “espuma quântica” de partículas virtuais que fogem da existência e impedem que o espaço vazio seja verdadeiramente vazio. Essas partículas que passam alteram a taxa de oscilação do múon. Fazendo um inventário de todas as forças e partículas no Modelo Padrão, os físicos podem prever quanto g será compensado. Eles chamam esse desvio de g-2.

Mas se houver partículas desconhecidas em jogo, as medições experimentais de g não corresponderão a essa previsão. “E é isso que torna o estudo do múon tão interessante”, disse o Dr. Penney. “É sensível a todas as partículas lá fora, mesmo aquelas que ainda não conhecemos.” Ela acrescentou que qualquer diferença entre teoria e experimento significa que uma nova física está no horizonte.

Para medir g-2, os pesquisadores do Fermilab geraram um feixe de múons e os direcionaram para um ímã em forma de rosquinha de 15 metros de diâmetro, cujo interior estava cheio de partículas virtuais que ganharam vida. À medida que os múons giravam ao redor do anel, os detectores ao longo de sua borda registravam a rapidez com que oscilavam.

Usando 40 bilhões de múons – cinco vezes mais dados do que os pesquisadores tinham em 2021 – a equipe mediu g-2 como 0,00233184110, um desvio de um décimo de um por cento de 2. O resultado foi uma precisão de 0,2 partes por milhão. O Dr. Bates disse que isso é como medir a distância entre a cidade de Nova York e Chicago com uma incerteza de apenas 10 polegadas.

“É uma conquista incrível”, disse Alex Keshavarzi, físico da Universidade de Manchester e membro da Colaboração Muon g-2. “Esta é a medição mais precisa do mundo já feita em um acelerador de partículas.”

Mas se o g-2 medido corresponde à previsão do Modelo Padrão ainda não foi determinado. Isso porque os físicos teóricos têm duas maneiras de calcular g-2, com base em diferentes maneiras de calcular a força forte, que mantém prótons e nêutrons juntos dentro do núcleo.

O cálculo tradicional é baseado em 40 anos de intensas medições de força feitas por experimentos ao redor do mundo. Com essa abordagem, a previsão do g-2 é tão boa quanto os dados usados, disse Aida Khadra, física teórica da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e presidente da iniciativa da teoria moon-g-2. Ela disse que as limitações empíricas nesses dados podem tornar essa previsão menos precisa.

Uma tecnologia mais recente chamada computação em grade, que usa supercomputadores para modelar o universo como uma grade quadridimensional de pontos no tempo e no espaço, também surgiu. Al-Khadhra confirmou que este método não se beneficia de dados. Só tem um problema: gera uma previsão g-2 diferente do método tradicional.

“Ninguém sabe por que essas duas pessoas são tão diferentes”, disse o Dr. Keshavarzi. “Eles devem ser exatamente os mesmos.”

Em comparação com a previsão tradicional, a última medição g-2 tem uma variação de mais de 5 sigma, o que corresponde a uma chance de 1 em 3,5 milhões de que o resultado seja um acaso, disse o Dr. Keshavarzi, acrescentando que esse grau de certeza estava além o nível necessário para reivindicar a descoberta. (Esta é uma melhoria de 4.2-Resultado Sigma em 2021e uma medição de 3,7 sigma feita no Brookhaven National Laboratory perto da virada do século.)

Mas quando eles compararam com a previsão da retina, disse o Dr. Keshavarzi, não houve nenhuma discrepância.

Os experimentos raramente vão além da teoria da física, disse o Dr. Bates, mas este é um desses momentos. “O interesse é da comunidade teórica”, acrescentou. “As luzes agora estão sobre eles.”

O Dr. Penney disse: “Estamos ansiosos para ver como essa discussão da teoria se desenrola”. Os físicos esperam entender melhor as previsões do g-2 até 2025.

Enquanto os dois campos teóricos trabalham nisso, os experimentalistas irão aprimorar ainda mais a medição do g-2. Eles têm mais do que o dobro da quantidade de dados restantes para examinar e, uma vez incluídos, sua precisão aumentará em outro fator.

A descoberta mais recente aproxima os físicos do confronto com o Modelo Padrão. Mas mesmo que a nova física seja confirmada, mais trabalho será necessário para descobrir o que realmente é. Dr. Keshavarzi disse que a descoberta da incompletude das leis conhecidas da natureza estabelecerá as bases para uma nova geração de experimentos, pois dirá aos físicos onde procurar.

Para o Dr. Bates, que passou quase 30 anos ultrapassando os limites do Modelo Padrão, provar a existência de uma nova física será um evento comemorativo e um lembrete de tudo o que resta a ser feito. “Por um lado, você vai brindar e comemorar o sucesso, um verdadeiro avanço”, disse ele. “Mas então você volta ao trabalho. Quais são as próximas ideias em que podemos trabalhar?”