O magnetismo inesperado de uma minúscula partícula está abalando o que os físicos pensavam que sabiam sobre o universo. 

Crédito da imagem: joe arrigo/Shutterstock

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O campo da física de partículas tem uma estrela nova e improvável: o múon, que às vezes é chamado de elétron gordo. Pela segunda vez, esse modesto residente do mundo subatômico pareceu desrespeitar as conhecidas leis da natureza. Para alguns especialistas, isso sugere que pode revelar regras inteiramente desconhecidas.

Os múons chamaram a atenção de físicos de todo o mundo depois que um experimento no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, ou Fermilab, em Illinois, demonstrou que eles são muito mais magnéticos do que o esperado. Os resultados, publicado em abril pela colaboração Muon g-2 (pronuncia-se “g menos dois”), vai contra as previsões da teoria da física de partículas mais disponível. Isso deixa três possibilidades: a teoria em si está errada, o experimento foi defeituoso ou, o que é mais tentador, também pode significar que estamos perto de descobrir novas formas de matéria e energia que são essenciais para a ordem do cosmos, mas não foram detectados.

Muitos cientistas estão adotando a última explicação. Se estiverem corretos, isso representa o primeiro desafio confiável ao Modelo Padrão da física de partículas, que dominou por meio século como a melhor descrição dos blocos básicos de construção do universo e como eles interagem. Onde quer que tenha feito uma previsão, ela se mostrou verdadeira - até agora.

Marcela Carena, chefe de física teórica do Fermilab, acredita que esses resultados podem se provar mais significativos do que até mesmo a descoberta marcante de 2012 do bóson de Higgs, que imbui todas as outras partículas com massa. “Isso pode realmente abalar a maneira como pensamos sobre tudo o que sabemos no momento sobre a física de partículas”, diz ela. “É uma grande descoberta e uma grande descoberta que não esperávamos.”

Um momento magnético mágico

A possibilidade de fenômenos muons inexplicáveis surgiu pela primeira vez em 2001, quando experimentos semelhantes no Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York encontraram algo errado: quando disparada através de um campo magnético em um acelerador de 15 metros de diâmetro, a minúscula partícula não agiu como esperado. Em termos técnicos, seu “momento magnético” - uma propriedade que essencialmente faz os múons girarem ou balançarem como barras de ímã - era surpreendentemente grande. Ele oscilou mais do que qualquer um tenha pressuposto.

O momento magnético é afetado por um zoológico de partículas virtuais que continuamente entram e saem da existência. Chris Polly, outro físico do Fermilab, explica em uma postagem que nenhuma partícula está verdadeiramente sozinha. Mesmo no vácuo, ela é cercada por uma “comitiva” dessas partículas virtuais, cada uma das quais determina parcialmente seu comportamento. Os cálculos do momento magnético do múon, conhecido como “g-2” (daí o nome da colaboração), explicam meticulosamente essas influências externas.

No entanto, existe uma discrepância significativa entre os valores medidos e previstos. Se as partículas virtuais conhecidas não podem explicar suficientemente essa lacuna, assumindo que as medições sejam precisas, os pesquisadores deduzem que alguma outra partícula (s) não identificada (s) deve (m) compensar a diferença.

Lee Roberts, um físico da Universidade de Boston, trabalhou nos experimentos do Brookhaven e do Fermilab. “Isso foi muito importante”, diz ele sobre a revelação de duas décadas atrás, “porque todo mundo estava procurando desesperadamente por uma física além do modelo padrão”. Depois que o programa perdeu financiamento, esse ponto de dados permaneceu sozinho e anômalo por duas décadas. Agora, diz Roberts, “confirmamos a experiência de Brookhaven. Os dois resultados são perfeitamente consistentes.”

Além do modelo padrão

Por mais emocionante que seja, o novo experimento apresenta um quebra-cabeça sem qualquer indício de solução. “Sabemos que algo novo deve estar lá fora”, diz Carena, “mas não sabemos o que é”. Os teóricos desenvolveram uma constelação de explicações e nenhuma se destaca em particular.

Dada a escolha, a teoria preferida de Carena é a supersimetria, uma extensão popular do Modelo Padrão. Ela postula que cada partícula conhecida possui um parceiro desconhecido. Essas contrapartes furtivas podem ser as partículas virtuais que contribuem para o momento magnético do múon, bem como os ingredientes da matéria escura considerada responsável por cerca de 27 por cento do universo, resolvendo dois mistérios com um eureka.

No entanto, ela reconhece que este é um pensamento positivo: "Acho que seria muito mais elegante se obtivéssemos algumas pistas deste experimento para outras coisas no universo, mas a natureza pode não funcionar dessa maneira." Outras partículas hipotéticas, principalmente leptoquarks e bósons Z' - poderiam preencher a lacuna com a mesma facilidade, sem ampliar ainda mais nossa compreensão da realidade. No entanto, se elas existirem, o Large Hadron Collider deve eventualmente detectá-las.

A questão é altamente complexa, em parte porque os cientistas não sabem onde buscar a resposta. O experimento do Fermilab oferece apenas evidências indiretas, sugerindo novas leis da física por meio do múon. Em suma, não identifica claramente nenhum suspeito em particular. “Para distinguir qual deles está certo”, diz Carena, “teremos que procurar em outro lugar”.

Esperando por esclarecimentos

Quanto ao motivo de os múons estarem se comportando mal, é muito cedo para tirar conclusões definitivas. Também é, talvez, muito cedo para dizer com segurança que eles estão fazendo isso em primeiro lugar. Até agora, os membros do Muon g-2 publicaram apenas cerca de 5% de seus dados. Dada a meticulosidade com que analisaram o primeiro conjunto, Roberts está otimista de que o resto reforçará a mesma conclusão que será lançada nos próximos anos. Mas, por enquanto, as poucas evidências não garantem a atualização do Modelo Padrão.

Alguns físicos hesitam em aceitar uma revisão da teoria científica possivelmente mais bem-sucedida de todos os tempos. Em outro estudo publicado na Nature no mesmo dia, Zoltan Fodor, da Pennsylvania State University, e seus colegas recalcularam o g-2 para verificar se há erros no trabalho teórico das últimas duas décadas. A matemática deles rendeu um novo valor teórico que difere daquele com o qual os físicos geralmente concordam, mas coincide com os resultados experimentais de Brookhaven e Fermilab.

Isso sugere que o modelo padrão pode se adequar aos experimentos, afinal. “Embora possa ter sido emocionante descobrir dicas de uma nova física”, escreve Fodor, “nossa nova teoria parece dizer que, desta vez, o Modelo Padrão está se sustentando”.

Como acontece com qualquer descoberta científica, o tempo e outras pesquisas dirão. Por enquanto, uma coisa é certa: o modelo padrão permanece incompleto. Não diz nada sobre matéria escura e energia escura, nem por que nosso universo é composto de matéria em vez de antimatéria. Mas os físicos podem ter recentemente tropeçado em uma pista, e para muitos, isso já justifica comemoração. “Encontrar algo fora desse modelo padrão é uma espécie de objetivo de toda a física de partículas”, diz Roberts. “Existem todas essas questões fundamentais muito profundas, então qualquer insight sobre isso é muito empolgante.”

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Referência:

COTTIER, Cody. Could misbehaving muons upend the known laws of physics?. Astronomy, 25, jun. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/news/2021/06/could-misbehaving-muons-upend-the-known-laws-of-physics>. Acesso em: 26, jun. 2021.