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Após anos de espera, proximidade de resultados de novo experimento gera ansiedade entre cientistas

Pesquisa sobre múons pode revelar a existência de diversas outras partículas elementares ainda desconhecidas. Entre as teorias propostas está até a existência de outro tipo de bóson de Higgs
Experimento de medição do momento magnético de muóns que poderá levar à descoberta de novas partículas

Imagem do experimento Muong-2 no laboratório Fermilab, nos EUA. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

Após duas década de espera, que incluíram uma longa batalha para obter financiamento e uma mudança para o outro lado do continente, um experimento sobre muóns está prestes a revelar seus resultados. Essas são partículas semelhantes ao elétron, porém de maior massa e mais instáveis. Os físicos esperam que as mais recentes medidas sobre o magnetismo do muón confirme achados anteriores que podem levar à descoberta de novas partículas. A divulgação da conclusões do estudo está prevista para o dia 7 de abril.

A pesquisa, intitulada Muon g – 2 experiment, que agora acontece no Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), um laboratório especializado em física de partículas de alta energia localizado nos EUA, já havia sido realizado anteriormente entre 1997 e 2001 no Laboratório Nacional de Brookhaven em Long Island, Nova York. Os resultados originais, anunciados em 2001 e finalizados em 2006,  geraram controvérsia entre os físicos. Eles revelaram que o momento magnético do muón, que indica o tamanho do campo magnético gerado, é levemente maior do que o previsto pela teoria. Caso esses resultados sejam confirmado, no anúncio da próxima semana ou em experimentos futuros, eles podem revelar a existência de novas partículas elementares. “Todos estão agitados”, disse Aida El-Khadra, física da Universidade de Illinois.

Medidas magnéticas

O experimento “Muon g – 2″ consegue medir o momento magnético da partícula ao promover sua movimentação em um círculo de 15 metros de diâmetro. Um imã poderoso mantém os muóns em sua rota circular, ao mesmo tempo em que causa a rotação de seus polos magnéticos. Quanto maior for o momento magnético da partícula, mais rápido ela irá rodar.  “Nós medimos a velocidade com a qual o muón gira no campo magnético, como um pião em precessão”, disse Lee Roberts, que tem trabalhado no projeto e seu antecessor desde 1989.

A discrepância em relação à teoria encontrada pelo experimento original era pequena, mas grande o suficiente para agitar os estudiosos. À primeira vista, a física quântica prevê que partículas elementares, como o muón e o elétron, possuem um momento magnético exatamente igual a 2 (a unidade de medida depende da partícula). No entanto,  cálculos mais completos revelam variações desse valor, já que o espaço vazio jamais está completamente vazio. O espaço em volta do muón contém uma diversidade de partículas virtuais – versões efêmeras de partículas reais que aparecem e desaparecem continuamente – algo que altera o campo magnético do muón.

Dessa maneira, quanto maior for a variedades das partículas, maior será o impacto de suas versões virtuais no momento magnético. Isso significa que uma medição de alta precisão pode revelar evidências indiretas da existência de novas partículas, anteriormente desconhecidas aos cientistas.  “Basicamente o que medimos é a soma de tudo o que existe”, disse Roberts.

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O momento magnético obtido é apenas levemente diferente de 2. Essa diferença é o que chamamos g – 2 . Em Brookhaven, os físicos descobriram que g – 2 é igual a 0.0023318319. À época, esse valor era maior do que a estimativa da contribuição das partículas virtuais conhecidas calculada pelos estudiosos.

A precisão da medição não era alta o suficiente para permitir que se afirmasse, com confiança, que a discrepância era real, mas era grande o suficiente para despertar animação. Os resultados também vieram em um momento em que o campo parecia pronto para um período de descobertas explosivas. O Grande Colisor de Hádrons (LHC) estava em construção na fronteira entre a Suíça e a França, e os teóricos acreditavam que ele descobriria um grande número de novas partículas. Mas, além da histórica descoberta do bóson de Higgs em 2012, o LHC não encontrou nenhuma outra partícula elementar. Além disso, seus dados descartaram muitos candidatos potenciais para partículas virtuais que poderiam ter inflado o momento magnético do múon, diz Michael Peskin, um físico teórico do SLAC National Accelerator Laboratory da Califórnia.

O LHC, no entanto, não descartou todas as explicações possíveis para a discrepância, diz Peskin. Dentre estas explicações,  diz o físico teórico Dominik Stöckinger da Universidade de Dresden, na Alemanha, está a de que não exista apenas um tipo de bósons de Higgs, e sim pelo menos dois.

Teoria em desenvolvimento

À época do experimento de Brookhaven, o valor experimental para o momento magnético do múon teve que ser comparado com as previsões teóricas que vieram com incertezas relativamente grandes. Mas enquanto a melhor medição experimental de g – 2 não mudou em 15 anos, a teoria evoluiu. No ano passado, uma grande colaboração, copresidida por El-Khadra, reuniu várias equipes de pesquisadores, cada um especializado em um tipo de partícula virtual, e publicou um valor de “consenso” para a constante fundamental. A discrepância entre os valores teóricos e experimentais não mudou.

Também no ano passado, uma equipe chamada Colaboração Budapest-Marseille-Wuppertal postou um artigo que sugeria um valor teórico para g-2 mais próximo do experimental.  Ela se concentrou em uma fonte particularmente teimosa de incerteza na teoria, proveniente de versões virtuais de glúons, partículas transmissoras de força nuclear forte. Se seus resultados estiverem corretos, a lacuna entre a teoria e o experimento pode acabar não existindo. As descobertas preliminares, que atualmente estão sendo analisadas para publicação, “causaram um grande impacto” e desde então têm sido intensamente debatidas, diz El-Khadra.

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Os resultados a serem divulgados em 7 de abril, portanto, podem não resolver a questão ainda. Graças a atualizações no aparelho, a equipe espera melhorar a precisão do g-2 em quatro vezes, em comparação com o experimento de Brookhaven. Mas, até agora, analisou apenas um ano dos dados coletados desde 2017 – não o suficiente para que a margem de erro seja mais estreita. Ainda assim, Roberts diz, se a medição for muito parecida com a original, a confiança nesse resultado vai melhorar.

Se o Fermilab finalmente confirmar a surpresa de Brookhaven, a comunidade científica provavelmente exigirá outra confirmação independente. Isso poderia vir de uma técnica desenvolvida no Complexo de Pesquisa do Acelerador de Protons do Japão (J-PARC), que mede o momento magnético do múon de modo radicalmente diferente.

 

Davide Castelvecchi

Publicado em 01/04/2021

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