Nova experiência indicia que uma partícula quebra as atuais leis da física

Um parente mais pesado do eletrão, chamado muão, está a desafiar o “Modelo Padrão” de todas as partículas no universo.

Publicado 14/04/2021, 17:59 WEST
muão

Nesta imagem vemos o anel Muon g-2 entre materiais eletrónicos na sua sala de detetores. Esta experiência opera a mais de 265 graus negativos e estuda a precessão (ou oscilação) dos muões conforme estes viajam através de um campo magnético.

Fotografia de Reidar Hahn, Fermilab

Numa experiência marcante, os cientistas encontraram novas evidências de que uma partícula subatómica está a desobedecer a uma das teorias mais rígidas da ciência, o Modelo Padrão da física de partículas. A lacuna entre as previsões deste modelo e o comportamento medido recentemente da partícula sugere que o universo pode conter partículas invisíveis e forças que estão para além do nosso alcance atual.

Num seminário realizado na semana passada, investigadores do Fermilab em Batavia, no Illinois, anunciaram os primeiros resultados da experiência Muon g-2, que desde 2018 mede uma partícula chamada muão, um parente mais pesado do eletrão descoberto na década de 1930.

Tal como os eletrões, os muões têm uma carga elétrica negativa e uma propriedade quântica chamada centrifugação, que faz com que as partículas atuem como minúsculos piões oscilantes quando colocado num campo magnético. Quanto mais forte o campo magnético, mais depressa o muão oscila.

O Modelo Padrão, desenvolvido na década de 1970, é a melhor explicação matemática que a humanidade tem para a forma como todas as partículas do universo se comportam, e também prevê a frequência de oscilação de um muão com extrema precisão. Mas em 2001, o Laboratório Nacional de Brookhaven em Upton, Nova Iorque, descobriu que os muões parecem oscilar um pouco mais depressa do que o previsto no Modelo Padrão.

Agora, duas décadas depois, a experiência Muon g-2 do Fermilab realizou a sua própria versão da experiência do laboratório de Brookhaven – e observou a mesma anomalia. Quando os investigadores combinaram os dados das duas experiências, descobriram que as probabilidades de esta discrepância ser simplesmente um acaso eram de cerca de 1 em 40.000, um sinal de que partículas e forças adicionais podem estar a afetar o comportamento do muão.

“Já era sem tempo”, diz Mark Lancaster, físico da Universidade de Manchester e membro da colaboração Muon g-2, uma equipa de mais de 200 cientistas de sete países. “Muitos de nós trabalhamos nisto há décadas.”

“Isto é realmente o nosso equivalente à aterragem de uma sonda em Marte”, acrescenta Chris Polly, cientista do Fermilab que trabalhou na experiência Muon g-2, bem como na experiência anterior em Brookhaven.

De acordo com os padrões rigorosos da física de partículas, estes resultados ainda não são uma “descoberta”. Essa fronteira só será alcançada quando os resultados atingirem uma certeza estatística de cinco sigma, ou uma probabilidade de 1 em 3.5 milhões de que uma flutuação aleatória provocou a lacuna entre a teoria e a observação, em vez de uma diferença real.

Os novos resultados – que serão publicados nas revistas científicas Physical Review Letters, Physical Review A&B, Physical Review A e Physical Review D – baseiam-se em apenas 6% do total de dados que a experiência vai recolher. Se os resultados do Fermilab permanecerem consistentes, chegar aos cinco sigma pode levar alguns anos. “A atitude a adotar é a de uma espécie de otimismo cauteloso”, diz Nima Arkani-Hamed, físico teórico do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey, que não esteve envolvido na investigação.

Os resultados do Fermilab já representam a maior pista em décadas de que existem partículas físicas ou propriedades para além do Modelo Padrão. Se esta discrepância com o Modelo Padrão persistir, então “é inquestionavelmente um trabalho digno de um Prémio Nobel”, diz a física Freya Blekman, da Universidade Livre de Bruxelas, que não participou no estudo.

Um modelo para tudo

O Modelo Padrão é indiscutivelmente a teoria científica mais bem-sucedida, capaz de previsões incrivelmente precisas de como se comportam as partículas fundamentais do universo. Mas os cientistas sabem que o modelo está incompleto. Por exemplo, falta uma descrição da gravidade, e o modelo não menciona a misteriosa matéria negra que parece estar espalhada por todo o cosmos.

Para descobrir o que está para além do Modelo Padrão, os físicos tentam levá-lo até um ponto de rutura através de experiências em laboratório. Contudo, a teoria tem teimosamente passado teste após teste, incluindo anos de medições de alta energia no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, que em 2012 encontrou uma partícula que tinha sido prevista pelo Modelo Padrão: o bosão de Higgs, que desempenha um papel fundamental na atribuição de massa a algumas outras partículas.

Ao contrário do LHC, que colide partículas para formar novos tipos de partículas, a experiência Muon g-2 do Fermilab mede partículas conhecidas com extrema precisão, procurando desvios subtis na teoria do Modelo Padrão.

“O LHC, por assim dizer, é quase como uma colisão a alta velocidade entre dois relógios suíços. Os destroços saem e tentamos perceber o que estava no seu interior”, diz Mark Lancaster. “Temos um relógio suíço e observamo-lo a funcionar de forma muito, muito, muito meticulosa e precisa, para ver se está a fazer o que se espera.”

O muão é praticamente a partícula perfeita para se monitorizar os sinais de uma nova física porque sobrevive o tempo suficiente para ser estudado de perto em laboratório – apesar de ser apenas durante milionésimos de segundo. E embora seja expectável que um muão se comporte como um eletrão, o muão tem uma massa 207 vezes superior, algo que fornece um importante ponto de comparação.

Há décadas que os investigadores observam de perto a forma como as oscilações magnéticas dos muões são afetadas pela influência de outras partículas conhecidas. Na escala quântica – a escala das partículas individuais – as flutuações ligeiras de energia manifestam-se sob a forma de pares de partículas que aparecem e desaparecem, como bolhas num vasto banho de espuma.

De acordo com o Modelo Padrão, conforme os muões se misturam com este fundo espumoso de partículas “virtuais”, os muões oscilam cerca de 0.1% mais depressa do que o esperado. Este impulso extra para a oscilação do muão é conhecido por momento magnético anómalo.

Contudo, a previsão do Modelo Padrão só é tão prevalente quanto o seu inventário de partículas do universo. Se o universo tiver partículas pesadas adicionais, por exemplo, essas partículas ajustariam o momento magnético anómalo do muão – possivelmente o suficiente para esse efeito ser medido em laboratório.

“Estudar o muão é praticamente a investigação mais inclusiva da nova física”, diz Dominik Stöckinger, membro da equipa Muon g-2 e teórico da Universidade de Tecnologia de Dresden, na Alemanha.

Feixes de muões e campos magnéticos

A experiência Muon g-2 começa com um feixe de muões, que os cientistas fazem através da colisão de pares de protões, filtrando depois cuidadosamente os detritos subatómicos. Este feixe de muão entra depois num anel magnético de 14 toneladas que originalmente foi usado na experiência de Brookhaven – e que foi enviado de Long Island para o Illinois em 2013 num batelão e depois de camião.

À medida que os muões dão voltas e mais voltas neste anel de armazenamento, que tem um campo magnético uniforme, os muões oscilantes decaem em partículas que colidem com um conjunto de 24 detetores ao longo da parede interna do anel. Através do rastreio da frequência com que estas partículas atingem os detetores, os investigadores conseguem determinar a rapidez com que os seus pais muões estavam a oscilar – um pouco como descobrir a velocidade de rotação de um farol à distância observando-o a escurecer e a clarear.

A experiência Muon g-2 está a tentar medir o momento magnético anómalo do muão com uma precisão de 140 partes por milhar de milhão, quatro vezes mais apurada do que a experiência de Brookhaven. Ao mesmo tempo, outros cientistas tiveram de calcular a melhor previsão possível para o Modelo Padrão. De 2017 a 2020, 132 teóricos liderados por Aida El-Khadra, da Universidade do Illinois, elaboraram a previsão da teoria de oscilação do muão com uma precisão sem precedentes – e que era ainda mais baixa do que os valores medidos.

Como esta experiência é muito importante, o Fermilab também tomou medidas para eliminar quaisquer influências ou parcialidade. As principais medições da experiência dependem do tempo preciso com que os detetores captam os sinais, pelo que, para salvaguardar a honestidade dos cientistas, o Fermilab alterou o relógio da experiência com valores aleatórios. Esta alteração apresentava os dados com um valor desconhecido, que só seria corrigido após a conclusão da análise.

Os únicos registos deste número aleatório referente ao relógio estavam em dois pedaços de papel manuscritos que foram mantidos em cacifos trancados no Fermilab e na Universidade de Washington em Seattle. No final de fevereiro, ambos os envelopes foram abertos e revelados à equipa, permitindo assim descobrir os verdadeiros resultados da experiência através de uma videochamada em direto.

“Estávamos todos em êxtase, muito empolgados, mas também em choque – porque, lá no fundo, acho que estávamos todos um bocado pessimistas”, diz Jessica Esquivel, membro da equipa Muon g-2 e investigadora de pós-doutoramento no Fermilab.  

Nova física?

Os resultados do Fermilab fornecem uma pista importante para o que pode estar para além do Modelo Padrão – mas os teóricos que tentam encontrar uma nova física não têm um espaço infinito para explorar. Qualquer teoria que tente explicar os resultados da experiência Muon g-2 também deve ter em consideração o facto de o LHC não ter descoberto novas partículas.

Em algumas das teorias propostas, o universo contém vários tipos de bosões de Higgs, não apenas o que está incluído no Modelo Padrão. Outras teorias invocam “leptoquarks” exóticos que provocariam novos tipos de interação entre muões e outras partículas. Mas como muitas das versões mais simples destas teorias já foram descartadas, “os físicos têm de pensar de formas pouco convencionais”, diz Dominik Stöckinger.

Por coincidência, os resultados do Fermilab chegaram duas semanas depois de outro laboratório – a experiência LHCb do CERN – ter encontrado evidências independentes de muões com um comportamento inadequado. Essa experiência monitoriza partículas de vida curta chamadas mesões B e rastreia a forma como decaem. O Modelo Padrão prevê que algumas dessas partículas em decomposição expelem pares de muões. Mas a experiência LHCb encontrou evidências de que estas decomposições de muões acontecem com menos frequência do que o previsto, com as probabilidades de um acaso a rondarem valores de um em mil.

Tal como a experiência do Fermilab, a experiência LHCb precisa de mais dados para poder reivindicar uma nova descoberta. Ainda assim, a combinação dos dois resultados “entusiasmou os físicos”, diz Aida El-Khadra.

A etapa seguinte é replicar os resultados. As descobertas do Fermilab baseiam-se na primeira execução da experiência, que terminou em meados de 2018. A equipa está atualmente a analisar os dados de duas execuções adicionais. Se esses dados se assemelharem à primeira execução, podem ser o suficiente para fazer desta anomalia uma descoberta completa até ao final de 2023.

Os teóricos também estão a começar a escrutinar as previsões do Modelo Padrão, sobretudo as partes que são notoriamente mais difíceis de calcular. Os novos métodos de supercomputador designados simulações de grelha também podem ajudar, mas os primeiros resultados – incluindo um artigo publicado na revista Nature, juntamente com os resultados do Fermilab – discordam ligeiramente de alguns dos valores que a equipa de Aidra El-Khadra incluiu no seu cálculo teórico. Filtrar estas diferenças subtis e perceber como é que afetam a busca por uma nova física vai demorar anos.

Para Mark Lancaster e os seus colegas, os anos de trabalho que têm pela frente valem a pena, especialmente considerando o quão longe já chegaram.

“Quando dizemos às pessoas que vamos tentar medir algo melhor do que uma parte por milhão, por vezes olham para nós de uma forma um pouco estranha... e quando dizemos que isso vai demorar 10 anos, as pessoas pensam que devemos estar loucos”, diz Mark. “Creio que a mensagem é: perseverança.”
 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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