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Por que você deve duvidar da 'nova física' dos últimos resultados do Muon g-2

A chegada do enorme eletroímã ao Fermilab para o experimento Muon g-2. O ímã foi construído e usado em Brookhaven na década de 1990 e início de 2000, mas foi enviado para todo o país para o novo experimento atual em andamento no Fermilab. Até o Grande Colisor de Hádrons ser ativado em 2008, o TeVatron do Fermilab era o acelerador de partículas mais poderoso do mundo. (REIDAR HAHN/FERMILAB)

O desencontro entre teoria e experimento é tudo menos certo.

Os momentos mais emocionantes da vida de um cientista ocorrem quando você obtém um resultado que desafia suas expectativas. Seja você um teórico que deriva um resultado que conflita com o que é experimentalmente ou observacionalmente conhecido, ou um experimentalista ou observador que faz uma medição que dá um resultado contrário às suas previsões teóricas, esses Eureka! momentos podem ir de duas maneiras. Ou eles são precursores de uma revolução científica, expondo uma rachadura nos fundamentos do que pensávamos anteriormente, ou – para o desgosto de muitos – eles simplesmente resultam de um erro.

Este último, infelizmente, tem sido o destino de todas as anomalias experimentais descobertas na física de partículas desde a descoberta do bóson de Higgs há uma década. Há um limite de significância que desenvolvemos para evitar que nos enganemos: 5 sigma, correspondendo a apenas uma chance em 3,5 milhões de que qualquer coisa nova que pensamos ter visto é um acaso. O primeiros resultados do experimento Muon g-2 do Fermilab acabam de sair e atingem um significado de 4,2 sigma: convincentes, mas não definitivos. Mas ainda não é hora de desistir do Modelo Padrão. Apesar da sugestão de nova física, há outra explicação. Vejamos o conjunto completo do que sabemos hoje para descobrir o porquê.

Partículas individuais e compostas podem possuir momento angular orbital e momento angular intrínseco (spin). Quando essas partículas têm cargas elétricas internas ou intrínsecas a elas, elas geram momentos magnéticos, fazendo com que sejam desviadas por uma quantidade específica na presença de um campo magnético e que precessem uma quantidade mensurável. (IQQQI / HAROLD RICH)

O que é g? Imagine que você tenha uma partícula minúscula e pontual, e essa partícula tenha uma carga elétrica. Apesar do fato de haver apenas uma carga elétrica – e não uma carga magnética fundamental – essa partícula também terá propriedades magnéticas. Sempre que uma partícula eletricamente carregada se move, ela gera um campo magnético. Se essa partícula se move em torno de outra partícula carregada ou gira em seu eixo, como um elétron orbitando um próton, ela desenvolverá o que chamamos de um momento magnético : onde se comporta como um dipolo magnético.

Mecanicamente quântica, as partículas pontuais não giram em seu eixo, mas se comportam como se tivessem um momento angular intrínseco a elas: o que chamamos de rotação mecânica quântica . A primeira motivação para isso veio em 1925, onde os espectros atômicos mostraram dois estados de energia diferentes, muito próximos, correspondendo a spins opostos do elétron. este divisão hiperfina foi explicado 3 anos depois, quando Dirac escreveu com sucesso o equação mecânica quântica relativista descrevendo o elétron.

Se você usasse apenas a física clássica, esperaria que o momento magnético de spin de uma partícula pontual fosse igual a metade multiplicado pela razão entre sua carga elétrica e sua massa multiplicada por seu momento angular de spin. Mas, por causa de efeitos puramente quânticos, tudo é multiplicado por um pré-fator, que chamamos de g. Se o Universo fosse de natureza puramente mecânica quântica, g seria igual a 2, exatamente, como previsto por Dirac.

Hoje, os diagramas de Feynman são usados ​​no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. As interações eletromagnéticas, mostradas aqui, são todas governadas por uma única partícula portadora de força: o fóton, mas também podem ocorrer acoplamentos fracos, fortes e Higgs. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

O que é g-2? Como você deve ter adivinhado, g não é exatamente igual a 2, e isso significa que o Universo não é puramente mecânico quântico. Em vez disso, não apenas as partículas que existem no Universo são de natureza quântica, mas os campos que permeiam o Universo – aqueles associados a cada uma das forças e interações fundamentais – também são de natureza quântica. Por exemplo, um elétron experimentando uma força eletromagnética não apenas atrairá ou repelirá de uma interação com um fóton externo, mas poderá trocar números arbitrários de partículas de acordo com as probabilidades que você calcularia na teoria quântica de campos.

Quando falamos de g-2, estamos falando de todas as contribuições de tudo que não seja a parte pura de Dirac: tudo associado ao campo eletromagnético, o campo fraco (e de Higgs) e as contribuições do campo forte. Em 1948, Julian Schwinger – co-inventor da teoria quântica de campos – calculou a maior contribuição para o g-2 do elétron e do múon: a contribuição de um fóton trocado entre a partícula que entra e a que sai. Essa contribuição, que é igual à constante de estrutura fina dividida por 2π, foi tão importante que Schwinger mandou gravá-la em sua lápide.

Esta é a lápide de Julian Seymour Schwinger no Cemitério Mt Auburn em Cambridge, MA. A fórmula é para a correção para g/2 como ele calculou pela primeira vez em 1948. Ele considerou isso como seu melhor resultado. (JACOB BOURJAILY / WIKIMEDIA COMMONS)

Por que deveríamos medi-lo para um múon? Se você sabe alguma coisa sobre física de partículas, sabe que os elétrons são leves, carregados e estáveis. Com apenas 1/1836 da massa do próton, eles são fáceis de manipular e fáceis de medir. Mas como o elétron é tão leve, sua razão carga-massa é muito baixa, o que significa que os efeitos do g-2 são dominados pela força eletromagnética. Isso é muito bem entendido e, embora tenhamos medido o que g-2 é para o elétron com uma precisão incrível – para 13 algarismos significativos – ele se alinha com o que a teoria prevê espetacularmente. De acordo com a Wikipedia (o que está correto), o momento magnético do elétron é a previsão mais precisamente verificada na história da física.

O múon, por outro lado, pode ser instável, mas é 206 vezes mais massivo que o elétron. Embora isso torne seu momento magnético comparativamente menor que o do elétron, isso significa que outras contribuições, particularmente da força nuclear forte, são muito maiores para o múon. Considerando que o momento magnético do elétron não mostra incompatibilidade entre teoria e experimento para melhor do que 1 parte em um trilhão, efeitos que seriam imperceptíveis no elétron apareceriam em experimentos contendo múons em cerca de 1 parte em um trilhão. nível de um bilhão.

Esse é exatamente o efeito o experimento Muon g-2 está procurando medir com precisão sem precedentes.

O anel de armazenamento Muon g-2 foi originalmente construído e localizado no Laboratório Nacional de Brookhaven, onde, no início desta década, forneceu a medição mais precisa do momento magnético do múon, conforme determinado experimentalmente. Foi construído pela primeira vez na década de 1990. (YANNIS SEMERTZIDIS / BNL)

O que se sabia antes do experimento do Fermilab? O experimento g-2 teve sua origem há cerca de 20 anos em Brookhaven. Um feixe de múons – partículas instáveis ​​produzidas por píons em decomposição, que são feitos de experimentos de alvo fixo – são disparados em velocidades muito altas em um anel de armazenamento. Revestindo o anel estão centenas de sondas que medem o quanto cada múon precedeu, o que por sua vez nos permite inferir o momento magnético e, uma vez concluída toda a análise, g-2 para o múon.

O anel de armazenamento é preenchido com eletroímãs que dobram os múons em um círculo a velocidades muito altas e específicas, ajustadas precisamente para 99,9416% da velocidade da luz. Essa é a velocidade específica conhecida como momento mágico, onde os efeitos elétricos não contribuem para a precessão, mas os magnéticos sim. Antes de o aparato experimental ser enviado através do país para o Fermilab, ele operava em Brookhaven, onde o Experiência E821 mediu g-2 para o múon com precisão de 540 partes por bilhão.

As previsões teóricas a que chegamos, entretanto, diferiam do valor de Brookhaven em cerca de ~ 3 desvios padrão (3 sigma). Mesmo com as incertezas substanciais, essa incompatibilidade estimulou a comunidade a uma investigação mais aprofundada.

Os primeiros resultados do Muon g-2 do Fermilab são consistentes com os resultados experimentais anteriores. Quando combinados com os dados anteriores de Brookhaven, eles revelam um valor significativamente maior do que o Modelo Padrão prevê. No entanto, embora os dados experimentais sejam requintados, essa interpretação do resultado não é a única viável. (COLABORAÇÃO FERMILAB/MUON G-2)

Como os resultados recém-lançados mudaram isso? Embora o experimento do Fermilab tenha usado o mesmo ímã do experimento E821, ele representa uma verificação única, independente e de maior precisão. Em qualquer experimento, existem três tipos de incertezas que podem contribuir:

1. incertezas estatísticas, onde à medida que você obtém mais dados, a incerteza diminui,
2. incertezas sistemáticas, onde estes são erros que representam sua falta de compreensão de questões inerentes ao seu experimento,
3. e incertezas de entrada, onde as coisas que você não mede, mas assume de estudos anteriores, precisam ter suas incertezas associadas trazidas para o passeio.

Algumas semanas atrás, o primeiro conjunto de dados do experimento Muon g-2 foi revelado e apresentado ao mundo em 7 de abril de 2021. Esses foram apenas os dados da Run 1 do experimento Muon g-2, com pelo menos 4 execuções totais planejadas, mas mesmo com isso, eles conseguiram medir esse valor de g-2 como 0,00116592040, com uma incerteza nos dois últimos dígitos de ±43 da estatística, ±16 da sistemática e ±03 das incertezas de entrada. No geral, está de acordo com os resultados de Brookhaven e, quando os resultados do Fermilab e do Brookhaven são combinados, produz um valor líquido de 0,00116592061, com uma incerteza líquida de apenas ±35 nos dois dígitos finais. No geral, isso é 4,2 sigma maior do que as previsões do Modelo Padrão.

Embora haja um descompasso entre os resultados teóricos e experimentais no momento magnético do múon (gráfico da direita), podemos ter certeza (gráfico da esquerda) que não é devido às contribuições Hadronic luz por luz (HLbL). No entanto, os cálculos de QCD de rede (azul, gráfico à direita) sugerem que as contribuições da polarização do vácuo hadrônico (HVP) podem ser responsáveis ​​por toda a incompatibilidade. (COLABORAÇÃO FERMILAB/MUON G-2)

Por que isso implicaria a existência de uma nova física? O Modelo Padrão, em muitos aspectos, é nossa teoria científica mais bem-sucedida de todos os tempos. Em praticamente todos os casos em que são feitas previsões definitivas sobre o que o Universo deve entregar, o Universo entregou exatamente isso. Existem algumas exceções – como a existência de neutrinos massivos – mas, além disso, nada cruzou o limite padrão-ouro de 5 sigma para anunciar a chegada de uma nova física que não foi revelada mais tarde como um erro sistemático. 4.2-sigma está perto, mas não é exatamente onde precisamos que esteja.

Mas o que gostaríamos de fazer nesta situação versus o que podemos fazer são duas coisas diferentes. Idealmente, gostaríamos de calcular todas as contribuições possíveis da teoria quântica de campos – o que chamamos de correções de ordem de loop mais altas – que fazem a diferença. Isso inclui as contribuições de força eletromagnética, fraca e Higgs e forte. Podemos calcular esses dois primeiros, mas devido às propriedades particulares da força nuclear forte e ao comportamento estranho de sua força de acoplamento, não calculamos essas contribuições diretamente. Em vez disso, nós os estimamos a partir de razões de seção transversal em colisões de elétron-pósitron: algo que os físicos de partículas chamaram de razão R. Sempre há a preocupação, ao fazer isso, de que possamos sofrer com o que considero o efeito do Google tradutor. Se você traduz de um idioma para outro e depois volta para o original, nunca volta a mesma coisa com que começou.

Os resultados teóricos que obtemos usando esse método são consistentes e continuam chegando significativamente abaixo dos resultados de Brookhaven e Fermilab. Se a incompatibilidade for real, isso nos diz deve haver contribuições de fora do Modelo Padrão que estão presentes. Seria uma evidência fantástica e convincente para uma nova física.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. (Especificamente, para as interações fortes.) Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero. Se houver partículas ou campos adicionais além do que o Modelo Padrão prevê, eles afetarão o vácuo quântico e mudarão as propriedades de muitas quantidades para longe de suas previsões do Modelo Padrão. (DEREK LEINWEBER)

Quão confiantes estamos em nossos cálculos teóricos? Como a teórica Aida El-Khadra mostrou quando os primeiros resultados foram apresentados , essas fortes contribuições de força representam o componente mais incerto desses cálculos. Se você aceitar essa estimativa da razão R, obterá a incompatibilidade entre teoria e experimento: 4,2-sigma, onde as incertezas experimentais são dominantes sobre as teóricas.

Embora definitivamente não possamos realizar os cálculos de loop para a força forte da mesma forma que os realizamos para as outras forças, há outra técnica que poderíamos alavancar: calcular a força forte usando uma abordagem envolvendo uma rede quântica. Como a força forte depende da cor, a teoria quântica do campo subjacente é chamada de Cromodinâmica Quântica: QCD.

A técnica de QCD de Malha , então, representa uma maneira independente de calcular o valor teórico de g-2 para o múon. O Lattice QCD depende de computação de alto desempenho e recentemente se tornou um rival do R-ratio de como poderíamos calcular estimativas teóricas para o que o Modelo Padrão prevê. O que El-Khadra destacou foi um cálculo recente mostrando que certas contribuições de Lattice QCD não explicam a discrepância observada.

O método R-ratio (vermelho) para calcular o momento magnético do múon levou muitos a notar a incompatibilidade com o experimento (o intervalo 'sem nova física'). Mas as melhorias recentes no QCD de Lattice (pontos verdes, e particularmente o topo, ponto verde sólido) não apenas reduziram substancialmente as incertezas, mas favoreceram um acordo com o experimento e um desacordo com o método R-ratio. (SZ. BORSANYI ET AL., NATUREZA (2021))

O elefante na sala: QCD treliça. Mas outro grupo – que calculou o que é conhecido como a contribuição da força forte dominante para o momento magnético do múon – encontrou uma discrepância significativa . Como mostra o gráfico acima, o método R-ratio e os métodos Lattice QCD discordam e discordam em níveis que são significativamente maiores do que as incertezas entre eles. A vantagem do Lattice QCD é que é uma abordagem puramente baseada em teoria e simulação para o problema, em vez de alavancar entradas experimentais para derivar uma previsão teórica secundária; a desvantagem é que os erros ainda são muito grandes.

O que é notável, convincente e preocupante, no entanto, é que os resultados mais recentes do Lattice QCD favorecem o valor medido experimentalmente e não o valor teórico da razão R. Como disse Zoltan Fodor, líder da equipe que fez a última pesquisa do Lattice QCD, a perspectiva de uma nova física é sempre atraente, também é emocionante ver a teoria e o experimento se alinharem. Demonstra a profundidade de nossa compreensão e abre novas oportunidades de exploração.

Embora a equipe do Muon g-2 esteja justificadamente comemorando esse resultado importante, essa discrepância entre dois métodos diferentes de prever o valor esperado do Modelo Padrão - um dos quais concorda com o experimento e outro não - precisa ser resolvido antes de qualquer conclusão sobre novos a física pode ser desenhada com responsabilidade.

O eletroímã Muon g-2 no Fermilab, pronto para receber um feixe de partículas muônicas. Esse experimento começou em 2017 e ainda está coletando dados, reduzindo significativamente as incertezas. Embora um total de significância de 5 sigma possa ser alcançado, os cálculos teóricos devem levar em conta todos os efeitos e interações da matéria possíveis para garantir que estamos medindo uma diferença robusta entre teoria e experimento. (REIDAR HAHN/FERMILAB)

Então, o que vem a seguir? Muita ciência verdadeiramente excelente, é isso. Na frente teórica, não apenas as equipes de R-ratio e Lattice QCD continuarão a refinar e melhorar seus resultados de cálculo, mas tentarão entender a origem da incompatibilidade entre essas duas abordagens. Outras incompatibilidades entre o Modelo Padrão e os experimentos - embora nenhum deles tenha cruzado o limite do padrão-ouro para significância ainda - atualmente existe , e alguns cenários que poderiam explicar esses fenômenos também poderiam explicar o momento magnético anômalo do múon; eles provavelmente serão explorados em profundidade.

Mas a coisa mais empolgante no pipeline são dados melhores e mais aprimorados da colaboração Muon g-2. As execuções 1, 2 e 3 já estão concluídas (a execução 4 está em andamento) e em cerca de um ano podemos esperar a análise combinada dessas três primeiras execuções - o que deve quase quadruplicar os dados e, portanto, reduzir pela metade as incertezas estatísticas - a ser publicado. Além disso, Chris Polly anunciou que as incertezas sistemáticas melhorarão em quase 50%. Se os resultados da razão R se mantiverem, teremos a chance de atingir a significância de 5 sigma apenas no próximo ano.

O Modelo Padrão está oscilando, mas ainda se mantém por enquanto. Os resultados experimentais são fenomenais, mas até que compreendamos as previsões teóricas sem essa ambiguidade presente, o caminho cientificamente mais responsável é permanecer cético.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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