Em 24 de julho, uma grande equipe de pesquisadores se reuniu em Liverpool para desvendar um único número relacionado ao comportamento do múon, uma partícula subatômica que pode abrir um portal para uma nova física do nosso universo.
Todos os olhos estavam em uma tela de computador enquanto alguém digitava um código secreto para liberar os resultados. O primeiro número que saiu foi recebido com exasperação: muitos suspiros preocupantes, oh-meu-Deus e o que fizemos de errado. Mas, após um cálculo final, “houve uma expiração coletiva em vários continentes”, disse Kevin Pitts, físico da Virginia Tech que estava a cinco horas de distância, participando virtualmente da reunião. A nova medição correspondia exatamente ao que os físicos haviam calculado dois anos antes – agora com o dobro da precisão.
Assim vem o resultado mais recente da Colaboração Muon g-2, que realiza um experimento no Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, em Batavia, Illinois, para estudar o movimento desviante do múon. A medida, anunciado ao público e submetido à revista Physical Review Letters na manhã de quinta-feira, deixa os físicos um passo mais perto de descobrir se existem mais tipos de matéria e energia compondo o universo do que foram contabilizados.
“Na verdade, tudo se resume a um único número”, disse Hannah Binney, física do Laboratório Lincoln do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que trabalhou na medição de múons como estudante de pós-graduação.
Os cientistas estão testando o Modelo Padrão, uma grande teoria que abrange todas as partículas e forças conhecidas da 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 e também não consegue explicar a matéria escura (a cola que mantém nosso universo unido) ou a energia escura (a força que o separa).
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 apenas dois milionésimos de segundo antes de decair em partículas mais leves. Eles também agem como minúsculos ímãs de barra: coloque um múon em um campo magnético e ele oscilará como um pião. A velocidade desse movimento depende de uma propriedade do múon chamada momento magnético, que os físicos abreviam como g.
Em teoria, g deveria ser exatamente igual a 2. Mas os físicos sabem que esse valor é perturbado pela “espuma quântica” de partículas virtuais que entram e saem da existência e impedem que o espaço vazio seja realmente vazio. Essas partículas transitórias alteram a taxa de oscilação do múon. Fazendo um balanço 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. Binney. “É sensível a todas as partículas que existem, mesmo aquelas que ainda não conhecemos.” Qualquer diferença entre teoria e experimento, ela acrescentou, significa que uma nova física está no horizonte.
Para medir g-2, os pesquisadores do Fermilab geraram um feixe de múons e o direcionaram para um ímã em forma de rosquinha de 15 metros de diâmetro, com o interior repleto de partículas virtuais que estavam se tornando realidade. À medida que os múons giravam ao redor do anel, os detectores ao longo de sua borda registravam a velocidade 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 décimo de 1% de desvio de 2. O resultado tem uma precisão de 0,2 partes por milhão. Isso é como medir a distância entre a cidade de Nova York e Chicago com uma incerteza de apenas 10 polegadas, disse o Dr. Pitts.
“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 dois métodos de calcular g-2, baseados em diferentes formas de contabilizar a força forte, que une prótons e nêutrons dentro de um núcleo.
O cálculo tradicional se baseia em 40 anos de medições de força forte feitas por experimentos em todo o mundo. Mas com essa abordagem, a previsão do g-2 é tão boa quanto os dados usados, disse Aida El-Khadra, física teórica da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e presidente da Muon g-2 Theory Initiative. Limitações experimentais nesses dados, disse ela, podem tornar essa previsão menos precisa.
Uma técnica mais recente chamada cálculo de rede, que usa supercomputadores para modelar o universo como uma grade quadridimensional de pontos do espaço-tempo, também surgiu. Este método não faz uso de dados, disse o Dr. El-Khadra. Há apenas um problema: ele gera uma previsão g-2 que difere da abordagem tradicional.
“Ninguém sabe por que esses dois são diferentes”, disse o Dr. Keshavarzi. “Eles devem ser exatamente iguais.”
Em comparação com a previsão tradicional, a última medição g-2 tem uma discrepância de mais de 5 sigma, o que corresponde a uma chance 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 uma descoberta. (Isso é uma melhoria de seus resultado 4.2-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 rede, disse o Dr. Keshavarzi, não houve nenhuma discrepância.
Raramente na física um experimento supera a teoria, mas este é um desses momentos, disse o Dr. Pitts. “A atenção está voltada para a comunidade teórica”, acrescentou. “Os holofotes agora estão sobre eles.”
O Dr. Binney disse: “Estamos ansiosos para ver como essa discussão teórica se desenrola”. Os físicos esperam entender melhor a previsão g-2 até 2025.
Enquanto os dois campos da teoria trabalham, os experimentalistas aprimorarão ainda mais sua medição de g-2. Eles têm mais que o dobro da quantidade de dados restantes para filtrar e, uma vez incluídos, sua precisão aumentará em outro fator de dois.
O resultado mais recente aproxima os físicos de um confronto do Modelo Padrão. Mas mesmo que a nova física seja confirmada, mais trabalho será necessário para descobrir o que realmente é. A descoberta de que as leis conhecidas da natureza são incompletas lançaria as bases para uma nova geração de experimentos, disse Keshavarzi, porque diria aos físicos onde procurar.
Para o Dr. Pitts, que passou quase 30 anos empurrando os limites do Modelo Padrão, a prova da nova física seria um marco comemorativo e um lembrete de tudo o que resta fazer. “Por um lado, será, faça um brinde e comemore um sucesso, um verdadeiro avanço”, disse ele. “Mas então ele vai estar de volta ao trabalho. Quais são as próximas ideias em que podemos trabalhar?”
