A Quinta Força do Universo: o que nos mostra o experimento do múon g-2? - Médico - 2023

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A história da Física está repleta de momentos que marcaram uma revolução no mundo científico. A descoberta da gravidade, o desenvolvimento da teoria da relatividade de Einstein, o nascimento da mecânica quântica. Todos esses eventos marcaram um ponto de inflexão. Mas e se estivéssemos testemunhando um momento assim hoje?

No início de 2021, o laboratório do Fermilab publicou os resultados de um experimento que realizava desde 2013: o já famoso experimento muon g-2.. Um experimento que abalou os alicerces do modelo padrão de partículas e que pode significar o nascimento de uma nova Física. Uma nova forma de compreender o Universo que nos rodeia.

Muons, partículas subatômicas instáveis muito semelhantes ao elétron mas mais massivas, pareciam interagir com partículas que ainda não conhecemos ou estar sob a influência de uma nova força diferente das quatro fundamentais que acreditávamos governar o comportamento do Cosmos .

Mas o que são múons? Por que o experimento do Fermilab foi e será tão importante? O que seus resultados nos mostram? É verdade que descobrimos uma quinta força no Universo? Prepare-se para sua cabeça explodir, pois hoje vamos responder a essas e muitas outras perguntas fascinantes sobre o que pode ser o início de um novo capítulo na história da Física.

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As quatro forças fundamentais e o modelo padrão: eles estão em perigo?

O tópico de hoje é um daqueles que o forçam a apertar o máximo possível seu cérebro, então, antes de começarmos a falar sobre múons e a suposta quinta força do Universo, devemos colocar as coisas em um contexto. E faremos isso nesta primeira seção. Pode parecer que não tem nada a ver com o assunto, mas você verá que tem. Tem todo o relacionamento.

Década de 30. As bases da mecânica quântica começam a se estabelecer. Um campo da física que busca compreender a natureza do subatômico. E é que os físicos viram como, ao cruzar a fronteira do átomo, esse microuniverso não estava mais sujeito às leis da relatividade geral que, acreditávamos, governavam todo o Universo.

Quando passamos para o mundo subatômico, as regras do jogo mudam. E encontramos coisas muito estranhas: dualidade onda-partícula, superposição quântica (uma partícula está, simultaneamente, em todos os lugares do espaço onde pode estar e em todos os estados possíveis), o princípio da incerteza, emaranhamento quântico e muitos outros movimentos estranhos.

Mesmo assim, o que ficou muito claro é que Tivemos que desenvolver um modelo que permitisse integrar as quatro forças fundamentais do Universo (eletromagnetismo, gravidade, força nuclear fraca e força nuclear forte) no mundo subatômico..

E fizemos isso de uma forma (parecia) espetacular: o modelo de partículas padrão. Desenvolvemos um referencial teórico onde foi proposta a existência de partículas subatômicas que explicam essas interações fundamentais. Os três mais conhecidos são o elétron, o próton e o nêutron, pois são eles que constituem o átomo.

Mas então temos muitos outros, como glúons, fótons, bósons, quarks (as partículas elementares que dão origem aos nêutrons e prótons) e as partículas subatômicas da família dos leptões, onde, além dos elétrons, são os tau e, cuidado , os múons. Mas não vamos nos precipitar.

Cush, domínio público, via Wikimedia Commons.

O importante, por enquanto, é que esse modelo padrão serve para explicar (mais ou menos) as quatro forças fundamentais do Universo. Eletromagnetismo? Nenhum problema. Os fótons nos permitem explicar sua existência quântica. A força nuclear fraca? Os bósons W e os bósons Z também explicam isso. A força nuclear forte? Gluons explicam isso. Tudo é perfeito.

Mas não tenha muitas esperanças. A gravidade? Bem, a gravidade não pode ser explicada em um nível quântico. Fala-se de um gráviton hipotético, mas não o descobrimos e nem se espera que o façamos. Primeiro problema do modelo padrão.

E o segundo problema, mas não menos importante: o modelo padrão não permite unificar a mecânica quântica com a relatividade geral. Se o mundo subatômico dá lugar ao macroscópico, como é possível que a física quântica e a física clássica sejam desarticuladas? Tudo isso deve nos mostrar como o reinado do modelo padrão vacila, mas não porque esteja errado, mas porque, talvez, haja algo escondido nele que não podemos ver.. Felizmente, os múons podem ter nos ajudado a abrir nossos olhos.

Para saber mais: "Os 8 tipos de partículas subatômicas (e suas características)"

Spin, fator g e momento magnético anômalo: quem é quem?

Chegou a hora de ficarmos mais técnicos e falarmos sobre três conceitos essenciais para entender o experimento do múon g-2: o spin, o fator ge o momento magnético anômalo. Sim, parece estranho. É estranho. Estamos no mundo quântico, então é hora de abrir sua mente.

O spin de uma partícula subatômica: spins e magnetismo

Todas as partículas subatômicas eletricamente carregadas do modelo padrão (como elétrons) têm seu próprio spin associado a elas. Mas o que é spin? Digamos (erroneamente, mas para entender) que é um spin atribuído a propriedades magnéticas. É muito mais complexo do que isso, mas para entendê-lo, basta ter em mente que é um valor que determina como gira uma partícula subatômica com carga elétrica.

Seja como for, o importante é que esse spin intrínseco à partícula faz com que ela tenha o que se chama de momento magnético, o que dá origem a efeitos de magnetismo macroscópico. Este momento magnético de spin é, portanto, uma propriedade intrínseca das partículas. Cada um tem seu próprio momento magnético.

O fator g e elétrons

E este valor de momento magnético depende de uma constante: o fator g. Você vê como tudo está tomando forma (mais ou menos)? Novamente, para não complicá-la, basta entender que se trata de uma constante específica para um tipo de partícula subatômica ligada ao seu momento magnético e, portanto, ao seu spin específico.

E vamos falar sobre elétrons. A equação de Dirac, uma equação de onda relativística formulada em 1928 por Paul Dirac, um engenheiro elétrico, matemático e físico teórico britânico, prevê um valor de g para o elétron de g = 2. Exatamente 2. 2.000000. É importante que você fique com isso. 2 significa que um elétron responde a um campo magnético duas vezes mais forte do que você esperaria para uma carga rotativa clássica.

E até 1947, os físicos mantiveram essa ideia. Mas o que houve? Bem, Henry Foley e Polykarp Kusch fizeram uma nova medição, visto que, para o elétron, o fator g era 2,00232. Uma ligeira (mas importante) diferença em relação ao previsto pela teoria de Dirac. Algo estranho estava acontecendo, mas não sabíamos o quê.

Felizmente, Julian Schwinger, um físico teórico americano, explicou, por meio de uma fórmula simples (para físicos, é claro), a justificativa para a diferença entre a medida obtida por Foley e Kusch e a prevista por Dirac.

E é agora que vamos mergulhar no lado mais sombrio do quantum. Você se lembra que dissemos que uma partícula subatômica está, ao mesmo tempo, em todos os lugares possíveis e em todos os estados em que pode estar? Bom. Porque agora sua cabeça vai explodir.

Julian Schwinger.

O momento magnético anômalo: partículas virtuais

Se essa simultaneidade de estados é possível (e é) e sabemos que as partículas subatômicas se desintegram em outras partículas, isso significa que, simultaneamente, uma partícula está se desintegrando em quantas partículas puder. É, portanto, cercado por uma massa de partículas.

Essas partículas são conhecidas como partículas virtuais. Portanto, o vácuo quântico está cheio de partículas que aparecem e desaparecem constante e simultaneamente em torno de nossa partícula. E essas partículas virtuais, por mais efêmeras que sejam, influenciam a partícula em um nível magnético, mesmo de uma forma muito pequena.

As partículas subatômicas nem sempre seguem o caminho mais óbvio, elas seguem todo e qualquer caminho possível que possam seguir. Mas o que isso tem a ver com o valor g e a discrepância? Bem, basicamente tudo.

Da maneira mais óbvia (o diagrama de Feynman mais simples), um elétron é desviado por um fóton. E ponto. Quando isso acontece, aqui o valor g é apenas 2.Porque não há uma massa de partículas virtuais ao seu redor. Mas temos que contemplar todos os estados possíveis.

E é aqui, quando somamos os momentos magnéticos de todos os estados, que chegamos ao desvio no valor g do elétron. E esse desvio causado pela influência da multidão de partículas virtuais é conhecido como momento magnético anômalo. E aqui finalmente definimos o terceiro e último conceito.

Portanto, conhecendo e medindo as diferentes conformações, podemos chegar a um valor de g para o elétron levando em consideração o momento magnético anômalo e a influência da soma de todas as partículas virtuais possíveis? Claro.

Schwinger previu um G = 2,0011614. E, posteriormente, mais e mais camadas de complexidade foram adicionadas até chegar a um valor G = 2,001159652181643 que, de fato, é considerado, literalmente, o cálculo mais preciso da história da física. Probabilidade de erro de 1 em 1 bilhão. Não é ruim.

Estávamos indo muito bem, então os físicos começaram a fazer o mesmo com partículas subatômicas muito semelhantes aos elétrons: múons. E foi aqui que começou a contagem regressiva para uma das descobertas que mais abalaram a física da história recente.

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Os segredos do experimento do múon g-2

Década de 1950. Os físicos estão muito felizes com o cálculo do fator g nos elétrons, então, como já dissemos, eles se aventuram a fazer o mesmo com os múons. E, ao fazê-lo, encontraram algo estranho: os valores teóricos não coincidiam com os experimentais.. O que funcionava tão bem com os elétrons não combinava com seus irmãos mais velhos, múons.

Como quais irmãos mais velhos? Mas o que são múons? Tem razão. Vamos falar sobre múons. Os múons são considerados irmãos mais velhos dos elétrons porque não apenas são da mesma família dos léptons (junto com o tau), mas são exatamente os mesmos em todas as suas propriedades, exceto na massa.

Os múons têm a mesma carga elétrica que os elétrons, o mesmo spin e as mesmas forças de interação, mas diferem apenas por serem 200 vezes mais massivos do que eles. Muons são partículas mais massivas do que elétrons produzidos por decaimento radioativo e têm uma vida de apenas 2,2 microssegundos. Isso é tudo que você precisa saber.

O importante é que quando, na década de 1950, foram calcular o valor g dos múons, viram que havia discrepâncias entre a teoria e a experimentação. A diferença era muito pequena, mas o suficiente para suspeitar que algo estava acontecendo com os múons no vácuo quântico que não estava contemplado no modelo padrão.

E na década de 1990, no Laboratório Nacional de Brookhaven, Nova York, o trabalho continuou com múons em um acelerador de partículas. Esperamos que eles se desintegrem quase sempre em neutrinos (partículas subatômicas praticamente indetectáveis) e em um elétron, que "sai" quase sempre na direção do "ímã" que é o múon (lembre-se do spin e do campo magnético), então que podemos detectá-los e reconstruir sua trajetória para saber a precessão do múon.

A precisão se refere ao movimento rotacional que as partículas sofrem quando são submetidas a um campo magnético externo. Mas seja como for, o importante é que se o valor de g do múon fosse 2, a precessão estaria perfeitamente sincronizada com a rotação do múon no acelerador. Nós vemos isso? Não. Já sabíamos, considerando o elétron e o momento magnético anômalo e que nos anos 1950 víamos essa discrepância, que não veríamos isso.

Mas o que não esperávamos (na verdade é o que os físicos queriam) é que no nível estatístico, a discrepância tornou-se maior. Em 2001 seus resultados são publicados, dando um G = 2,0023318404. O valor ainda não era estatisticamente certo, pois tínhamos um sigma de 3,7 (uma probabilidade de erro de 1 em 10.000, algo não poderoso o suficiente) e precisaríamos, para confirmar o desvio, um sigma de 5 (uma probabilidade de erro de 1 entre 3.500.000).

Tínhamos certeza de que os múons se comportavam de uma maneira que quebrava o modelo padrão, mas ainda não podíamos lançar foguetes. Então, em 2013, ele iniciou um projeto no Fermilab, um laboratório de física de alta energia perto de Chicago, no qual múons foram estudados novamente, agora com instalações de última geração. O experimento do múon g-2.

E só em 2021 foram publicados os resultados, que mostraram, de forma mais robusta, que o comportamento magnético dos múons não se encaixava no modelo padrão.. Com uma diferença de 4,2 sigmas (probabilidade de erro de 1 em 40.000), os resultados foram estatisticamente mais fortes do que os de 2001 em Brookhaven, onde obtiveram um sigma de 3,7.

Os resultados do experimento do múon g-2, longe de dizer que o desvio foi um erro experimental, confirmam esse desvio e melhoram a precisão para anunciar a descoberta de sinais de ruptura dentro dos princípios do modelo padrão. Não é 100% estatisticamente confiável, mas é muito mais do que antes.

Mas por que esse desvio no fator de múon g foi um anúncio tão grande? Porque seu valor g não coincide com o esperado com uma probabilidade de erro de apenas 1 em 40.000 faz estamos muito perto de mudar os pilares do modelo padrão.

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As instalações do Fermilab onde foi realizado o experimento com múon g-2.

A quinta força fundamental ou novas partículas subatômicas?

Não podemos ter 100% de certeza, mas é bem provável que o experimento com múon g-2 do Fermilab tenha descoberto que, no vácuo quântico, esses múons estão interagindo com forças ou partículas subatômicas desconhecidas para a física.. Só assim se poderia explicar que seu valor g não era o esperado pelo modelo padrão.

É verdade que por enquanto temos uma probabilidade de erro de 1 em 40.000 e que para ter certeza do desvio precisaríamos de uma probabilidade de erro de 1 em 3,5 milhões, mas é suficiente suspeitar fortemente que no vácuo quântico há algo estranho que esteja escondido de nossos olhos.

Como já discutimos, múons são praticamente iguais aos elétrons. Eles são "apenas" 200 vezes mais massivos. Mas essa diferença de massa pode ser a diferença entre ser cego (com elétrons) e ver a luz do que está escondido no vácuo quântico (com múons).

Nós nos explicamos. A probabilidade de uma partícula interagir com outras partículas virtuais é proporcional ao quadrado de sua massa. Isso significa que os múons, sendo 200 vezes mais massivos do que os elétrons, são 40.000 vezes mais propensos a serem perturbados por partículas virtuais conhecidas (como prótons ou hádrons), mas também com outras partículas desconhecidas.

Então, se esses múons, por meio dessa discrepância em seu valor g, eles poderiam estar gritando que há algo que não contemplamos no modelo padrão. Partículas misteriosas que não podemos ver diretamente, mas que interagem com os múons, alterando seu fator g esperado e permitindo-nos percebê-los indiretamente, pois fazem parte da multidão de partículas virtuais que modificam seu momento magnético.

E isso abre uma gama incrível de possibilidades. De novas partículas subatômicas dentro do modelo padrão a uma nova força fundamental (a quinta força do Universo) que seria semelhante ao eletromagnetismo e que seria mediada pelos hipotéticos fótons escuros.

A confirmação da discrepância resulta no valor g dos múons pode parecer um tanto anedótico, mas a verdade é que pode representar uma mudança de paradigma no mundo da física, ao nos ajudar a entender algo tão misterioso quanto a matéria escura, ao modificar o modelo padrão que consideramos inabaláveis, adicionando uma nova força às quatro que acreditávamos governar sozinho o Universo e adicionando novas partículas subatômicas ao modelo.

Sem dúvida, um experimento que pode mudar para sempre a história da Física. Precisaremos de muito mais tempo e mais experimentos para chegar ao ponto de podermos confirmar os resultados com a maior confiabilidade possível.. Mas o que está claro é que nos múons temos um caminho a percorrer para mudar, para sempre, nossa concepção do Universo.

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