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Os múons poderiam apontar para uma nova física?

Crédito: Stefano Garau / Adobe Stock e Trahko / Adobe Stock

• A primeira pergunta feita na filosofia ocidental, 'Do que é feito o mundo?' continua a inspirar os físicos de alta energia.
• Novos resultados experimentais sondando as propriedades magnéticas do múon, um primo mais pesado do elétron, parecem indicar que novas partículas da natureza podem existir, potencialmente lançando luz sobre o mistério da matéria escura.
• Os resultados são uma celebração do espírito humano e nossa curiosidade insaciável de entender o mundo e nosso lugar nele.

Se a força bruta não funcionar, então olhe para as peculiaridades do nada. Isso pode soar como um koan zen, mas na verdade é a estratégia que os físicos de partículas estão usando para encontrar a física além do Modelo Padrão, o registro atual de todas as partículas conhecidas e suas interações. Em vez dos experimentos usuais de colisão que esmagam partículas umas contra as outras, novos resultados excitantes indicam que novas visões de tipos exóticos de matéria podem ser vislumbradas medindo-se cuidadosamente as propriedades do vácuo quântico. Há muito o que descompactar aqui, então vamos aos poucos.

É apropriado que a primeira pergunta feita na filosofia ocidental se refira à composição material do mundo. Escrevendo por volta de 350 aC, Aristóteles creditou a Tales de Mileto (por volta de 600 aC) a honra de ser o primeiro filósofo ocidental quando fez a pergunta: Do que é feito o mundo? O que os físicos modernos de alta energia fazem, embora com metodologia e equipamentos muito diferentes, é seguir a mesma tradição filosófica de tentar responder a essa pergunta, assumindo que existem tijolos indivisíveis de matéria chamados partículas elementares.

Déficits no Modelo Padrão

Saltando milhares de anos de descobertas espetaculares, agora temos uma compreensão muito clara da composição material do mundo no nível subatômico: um total de 12 partículas e o bóson de Higgs. As 12 partículas de matéria são divididas em dois grupos, seis léptons e seis quarks. Os seis quarks compreendem todas as partículas que interagem através da força nuclear forte, como prótons e nêutrons. Os léptons incluem o elétron familiar e seus dois primos mais pesados, o múon e o tau. O múon é a estrela dos novos experimentos.

O modelo padrão Crédito : Cush via Wikimedia Commons licenciado sob CC0 1,0

Apesar de toda a sua glória, o Modelo Padrão descrito acima é incompleto. O objetivo da física fundamental é responder ao maior número de perguntas com o menor número de suposições. Tal como está, os valores das massas de todas as partículas são parâmetros que medimos em laboratório, relacionados com a intensidade com que interagem com o Higgs. Não sabemos por que alguns interagem muito mais forte do que outros (e, como consequência, têm massas maiores), por que há uma prevalência de matéria sobre antimatéria ou por que o universo parece ser dominado por matéria escura - um tipo de matéria não sabemos nada, além do fato de que não faz parte da receita incluída no Modelo Padrão. Sabemos que a matéria escura tem massa, pois seus efeitos gravitacionais são sentidos na matéria familiar, a matéria que compõe galáxias e estrelas. Mas não sabemos o que é.

Aconteça o que acontecer, uma nova ciência será aprendida.

Os físicos esperavam que o poderoso Grande Colisor de Hádrons na Suíça lançasse luz sobre a natureza da matéria escura, mas nada apareceu lá ou em muitas buscas diretas, onde detectores foram montados para coletar matéria escura que presumivelmente cairia dos céus e atingir partículas de matéria comum.

Os múons poderiam preencher as lacunas?

Digite os múons. A esperança de que essas partículas possam ajudar a resolver as deficiências do Modelo Padrão tem duas partes. A primeira é que cada partícula, como um múon, que tem uma carga elétrica pode ser retratada de forma simplista como uma esfera giratória. Esferas giratórias e discos de carga criam um campo magnético perpendicular à direção da rotação. Imagine o múon como um pequeno pião. Se estiver girando no sentido anti-horário, seu campo magnético apontaria verticalmente para cima. (Pegue um copo de água com a mão direita e gire-o no sentido anti-horário. Seu polegar estará apontando para cima, na direção do campo magnético.) Os múons giratórios serão colocados em um túnel em forma de rosquinha e forçados a dar voltas e voltas. O túnel terá seu próprio campo magnético que interagirá com o minúsculo campo magnético dos múons. À medida que os múons circulam a rosquinha, eles balançam, assim como os piões oscilam no chão devido à sua interação com a gravidade da Terra. A quantidade de oscilação depende das propriedades magnéticas do múon que, por sua vez, dependem do que está acontecendo com o múon no espaço.

Crédito: Fabrice Coffrini / Getty Images

É aí que entra a segunda ideia, o vácuo quântico. Na física, não há espaço vazio. O chamado vácuo é na verdade uma sopa borbulhante de partículas que aparecem e desaparecem em frações de segundo. Tudo flutua, conforme encapsulado no Princípio da Incerteza de Heisenberg. A energia também flutua, o que chamamos de energia do ponto zero. Como a energia e a massa são interconversíveis (E = mc^dois, lembra?), essas pequenas flutuações de energia podem ser momentaneamente convertidas em partículas que saltam e voltam para o nada agitado do vácuo quântico. Cada partícula de matéria está envolta por essas partículas que emergem das flutuações do vácuo. Assim, um múon não é apenas um múon, mas um múon vestido com esses pedaços extras de material fugaz. Sendo esse o caso, essas partículas extras afetam o campo magnético de um múon e, portanto, suas propriedades de oscilação.

Cerca de 20 anos atrás, físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven detectaram anomalias nas propriedades magnéticas do múon, maiores do que a teoria previa. Isso significaria que o vácuo quântico produz partículas não contabilizadas pelo Modelo Padrão: nova física! Avançando para 2017, o experimento, com sensibilidade quatro vezes maior, foi repetido no Laboratório Nacional de Fermi, onde o seu realmente era um pós-doutorando há algum tempo. O primeiros resultados do Experiência Muon g-2 foram revelados em 7 de abril de 2021 e não apenas confirmaram a existência de uma anomalia de momento magnético, mas a amplificaram bastante.

Para a maioria das pessoas, os resultados oficiais, Publicados recentemente, não parecem tão excitantes: uma tensão entre teoria e experimento de 4,2 desvios padrão. O padrão-ouro para uma nova descoberta na física de partículas é uma variação de 5 sigma, ou uma parte em 3,5 milhões. (Ou seja, executar o experimento 3,5 milhões de vezes e observar a anomalia apenas uma vez.) No entanto, isso é suficiente para muita emoção na comunidade de física de partículas, dada a notável precisão das medições experimentais.

Um tempo para emoção?

Agora, os resultados devem ser reanalisados ​​com muito cuidado para garantir que (1) não haja erros experimentais ocultos; e (2) os cálculos teóricos não estão errados. Haverá um frenesi de cálculos e trabalhos nos próximos meses, todos tentando dar sentido aos resultados, tanto no campo experimental quanto no teórico. E é exatamente assim que deve ser. A ciência é um esforço comunitário, e o trabalho de muitos compete e se completa.

Aconteça o que acontecer, uma nova ciência será aprendida, mesmo que menos excitante do que novas partículas. Ou talvez, novas partículas tenham estado lá o tempo todo, entrando e saindo da existência do vácuo quântico, esperando para serem puxadas para fora desse nada ocupado por nossos esforços tenazes para descobrir do que o mundo é feito.

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