Quando os resultados de um experimento não correspondem às previsões feitas pela melhor teoria da época, algo está errado.

Crédito da imagem: GiroScience/Shutterstock

Quinze anos atrás, os físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven descobriram algo desconcertante. Os múons - um tipo de partícula subatômica - estavam se movendo de maneiras inesperadas que não correspondiam às previsões teóricas. A teoria estava errada? O experimento foi encerrado? Ou, tentadoramente, isso era evidência de uma nova física?

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Os físicos vêm tentando resolver esse mistério desde então.

Um grupo do Fermilab abordou o lado experimental e em 7 de abril de 2021, divulgou os resultados que confirmam a medição original. Mas meus colegas e eu adotamos uma abordagem diferente.

Sou um físico teórico, porta-voz e um dos dois coordenadores da  colaboração Budapeste-Marselha-Wuppertal. Esta é uma colaboração em grande escala de físicos que têm tentado ver se a previsão teórica mais antiga estava incorreta. Usamos um novo método para calcular como os múons interagem com os campos magnéticos.

A previsão teórica da minha equipe é diferente da teoria original e corresponde tanto à velha evidência experimental quanto aos novos dados do Fermilab. Se nosso cálculo estiver correto, ele resolverá a discrepância entre a teoria e o experimento e sugerirá que não existe uma força da natureza não descoberta.

Nosso 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. Crédito da imagem: Cush / Wikimedia Commons

O múon e o modelo padrão

O múon é um irmã mais pesado e instável do elétron. Muons estão ao nosso redor e são, por exemplo, criados quando os raios cósmicos colidem com partículas na atmosfera da Terra. Eles são capazes de atravessar a matéria e os pesquisadores os usaram para sondar o interior inacessível de estruturas, desde vulcões gigantes até as pirâmides egípcias.

Os múons, como os elétrons, têm carga elétrica e geram minúsculos campos magnéticos. A força e a orientação desse campo magnético são chamadas de momento magnético.

Quase tudo no universo - de como os átomos são construídos até como seu celular funciona e 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 interação fraca, que é responsável pela decadência radioativa. A última é a interação forte, a força que mantém unidos os prótons e nêutrons no núcleo do átomo. 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 com muita precisão como o eletromagnetismo e a interação fraca fazem isso, mas determinar como a interação forte contribui para o campo magnético do múon tem se mostrado incrivelmente difícil.

O campo magnético do múon tem se mostrado incrivelmente difícil de prever. Crédito da imagem: Newton Henry Black / Wikimedia Commons

Um mistério magnético

De todos os efeitos que a forte interação tem sobre o momento magnético do múon, o maior e também o mais difícil de calcular com a precisão necessária é chamado de Leading Order Hadronic Vacuum Polarization.

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 interação para o momento magnético do múon. Os físicos têm usado essa abordagem para refinar ainda mais a estimativa por décadas. Os últimos resultados são de 2020 e produziram uma estimativa muito precisa.

Esse 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 tinha 15 anos. Para esta medição, no Laboratório Nacional de Brookhaven, os pesquisadores criaram múons em um acelerador de partículas e então observaram como eles se moviam através de um campo magnético usando um eletroímã gigante de 15 metros de largura. Ao medir como os múons se moviam e decaiam, eles eram capazes de medir diretamente o momento magnético do múon. Foi uma grande surpresa quando a medição direta de Brookhaven de 2006 do momento magnético do múon foi maior do que deveria ser 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

Meus colegas e eu optamos pela primeira opção: a teoria pode estar errada de alguma forma. Então, decidimos tentar encontrar uma maneira melhor de calcular a previsão. Nossa equipe de físicos pegou as equações subjacentes mais básicas da interação forte, colocou as equações em uma grade de espaço-tempo e resolveu o máximo possível de uma vez.

A técnica é como fazer uma previsão do tempo. À medida que os aviões comerciais voam em suas rotas, eles medem a pressão, a temperatura e a velocidade do vento em determinados pontos da Terra. Da mesma forma, colocamos a equação de interação forte em uma grade de 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. Nossa equipe colocou as fortes forças de interação em uma grade e procurou a evolução desses campos. Quanto mais aviões coletarem dados, melhor será a previsão. Nessa metáfora, usamos bilhões de aviões para calcular o momento magnético mais preciso que poderíamos usar milhões de horas de processamento de computador em vários centros de supercomputadores na Europa.

Nossa nova abordagem produz uma estimativa da força do campo magnético do múon que se aproxima do valor experimental medido pelos cientistas de Brookhaven. Essencialmente, fecha a lacuna entre a teoria e as medições experimentais e, se for verdade, confirma o modelo padrão que orientou a física de partículas por décadas.

O experimento do Fermilab, usando o mesmo ímã de Brookhaven, mediu um momento magnético quase idêntico para o múon. Crédito da imagem: Reidar Hahn / Fermilab

Novos experimentos

Mas meus colegas e eu não somos os únicos a perseguir esse mistério. Outros cientistas, como os do Fermilab, um acelerador de partículas próximo a Chicago, optaram por testar a segunda opção: o experimento foi cancelado.

No 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 de múon mais intensa que lhes deu um resultado mais preciso. Combinou com a medição antiga quase perfeitamente.

Os resultados do Fermilab sugerem fortemente que as medições experimentais estão corretas. A nova previsão teórica feita por meus colegas e por mim está de acordo com esses resultados experimentais. Embora possa ter sido emocionante descobrir dicas de uma nova física, nossa nova teoria parece dizer que, desta vez, o Modelo Padrão está se sustentando.

No entanto, um mistério permanece: a lacuna entre a previsão original e nosso novo resultado teórico. Minha equipe e eu acreditamos que o nosso está correto, mas nosso resultado é o primeiro desse tipo. Como sempre na ciência, outros cálculos precisam ser feitos para confirmá-lo ou refutá-lo.

Este artigo foi republicado em  The Conversation  sob uma licença Creative Commons. Leia o  artigo original.

As opiniões expressas são do autor e não refletem necessariamente as opiniões do editor.

- Zoltan Fodor, professor de física, Penn State

Fonte: Space