“Que monstros podem estar à espreita lá?” afirma físico sobre nova descoberta

Por , em 7.04.2021

As evidências estão aumentando de que uma pequena partícula subatômica pode estar desobedecendo às leis conhecidas da física, anunciaram cientistas na quarta-feira, numa descoberta que abriria um vasto e tentador buraco em nossa compreensão do universo.

O resultado, dizem os físicos, sugere que existem formas de matéria e energia vitais para a natureza e evolução do cosmos que ainda não são conhecidas pela ciência.

“Este é o nosso momento de pouso do rover de Marte”, disse Chris Polly, físico do Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, em Batavia, III, que tem trabalhado para alcançar essa descoberta durante a maior parte de sua carreira.

A célebre partícula é o múon, que é semelhante a um elétron, mas muito mais pesado, e é um elemento integral do cosmos. Dr. Polly e seus colegas — uma equipe internacional de 200 físicos de sete países — descobriram que os múons não se comportavam como previsto quando atirados através de um intenso campo magnético no Fermilab.

O comportamento bizarro representa um desafio firme para o Modelo Padrão, o conjunto de equações que enumera as partículas fundamentais no universo (17, na última contagem) e como elas interagem.

“Esta é uma forte evidência de que o múon é sensível a algo que não está em nossa melhor teoria”, disse Renee Fatemi, física da Universidade de Kentucky.

Os resultados, os primeiros de um experimento chamado Muon g-2, concordaram com experimentos semelhantes no Laboratório Nacional de Brookhaven em 2001 que têm provocado os físicos desde então.

Em um seminário virtual e uma coletiva de imprensa na quarta-feira, o Dr. Polly apontou para um gráfico exibindo espaço em branco onde as descobertas do Fermilab se desviaram da previsão teórica. “Podemos dizer com confiança bastante alta, que deve haver algo contribuindo para este espaço em branco”, disse ele. “Que monstros podem estar à espreita lá?”

“Hoje é um dia extraordinário, muito esperado não só por nós, mas por toda a comunidade internacional da física”, disse Graziano Venanzoni, porta-voz da colaboração e físico do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, em um comunicado emitido pela Fermilab. Os resultados também estão sendo publicados em um conjunto de artigos submetidos a vários periódicos revisados por pares.

As medidas têm cerca de uma chance em 40 mil de ser uma aberração, relataram os cientistas, bem aquém do padrão-ouro necessário para reivindicar uma descoberta oficial pelos padrões de física. Os resultados da quarta-feira representam apenas 6% do total de dados que o experimento de múon deve reunir nos próximos anos.

Durante décadas, os físicos confiaram e no Modelo Padrão, que explica com sucesso os resultados de experimentos de partículas de alta energia em experimentos como o Grande Colisor de Hádrons do CERN. Mas o modelo deixa muitas perguntas profundas sobre o universo sem resposta.

A maioria dos físicos acredita nova física está esperando para ser descoberta. Os dados adicionais do experimento Fermilab poderiam fornecer um grande impulso para os cientistas ansiosos para construir a próxima geração de aceleradores de partículas.

Também pode levar a explicações para os tipos de mistérios cósmicos que há muito preocupam nossa espécie solitária. O que exatamente é a matéria escura, o material invisível que os astrônomos dizem que compõe um quarto de toda a massa do universo? De fato, por que há matéria no universo?

No Twitter, os físicos responderam ao anúncio de quarta-feira com uma mistura de entusiasmo e cautela. “É claro que existe a possibilidade de ser uma nova física”, disse Sabine Hossenfelder, física do Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt. “Mas eu não apostaria nisso.”

Marcela Carena, chefe de física teórica da Fermilab, que não fez parte do experimento, disse: “Estou muito animada. Eu sinto que essa pequena oscilação pode abalar as bases do que pensávamos que conhecíamos.”

“Quem encomendou isso?”

Às vezes chamados de “elétrons gordos”, os múons se assemelham às partículas elementares familiares que alimentam nossas baterias, luzes e computadores que giram em torno dos núcleos dos átomos; eles têm uma carga elétrica negativa, e eles têm uma propriedade chamada spin, o que os faz se comportar como pequenos ímãs.

Mas eles tem 207 vezes mais massa que seus primos mais conhecidos. Eles também são instáveis, decompondo-se radioativamente em elétrons e partículas superleves chamadas neutrinos em 2,2 milionésimos de segundo.

Que parte os múons desempenham no cosmo em geral ainda é um quebra-cabeça.

Os múons devem sua fama atual a uma peculiaridade da mecânica quântica, as regras não intuitivas que sustentam o reino atômico. Entre outras coisas, a teoria quântica sustenta que o espaço vazio não é realmente vazio, mas está de fato fervilhando com partículas “virtuais” que existem e deixam de existir repetidamente.

“Você pode pensar que é possível que uma partícula fique sozinha no mundo”, disse o Dr. Polly em uma declaração biográfica postada pela Fermilab. “Mas, na verdade, não é nada solitária. Por causa do mundo quântico, sabemos que cada partícula é cercada por uma comitiva de outras partículas.”

Esta comitiva influencia o comportamento das partículas existentes, incluindo uma propriedade do múon chamada seu momento magnético, representada em equações por um fator chamado g. De acordo com uma fórmula derivada em 1928 por Paul Dirac, físico teórico inglês e um dos fundadores da teoria quântica, o fator g de um múon solitário deve ser 2.

Mas os múons não estão sozinhos, então a fórmula deve ser corrigida para o burburinho quântico decorrente de todas as outras partículas potenciais do universo. Isso leva o fator g do múon para mais de 2, daí o nome do experimento: Muon g-2.

A medida em que o G-2 se desvia das previsões teóricas é uma indicação de quanto ainda é desconhecido sobre o universo – quantos monstros, como o Dr. Polly disse, estão à espreita no escuro para os físicos descobrirem.

Em 1998, físicos em Brookhaven, incluindo o Dr. Polly, que era então um estudante de pós-graduação, começaram a explorar essa ignorância cósmica medindo o G-2 e comparando-o com as previsões.

No experimento, um acelerador chamado Alternating Gradient Synchrotron criou feixes de múons e os enviou para um anel de armazenamento de 15 metros de largura, uma pista de corridas gigante controlada por ímãs supercondutores.

O valor de g que obtiveram discordou da previsão do Modelo Padrão o suficiente para excitar a imaginação dos físicos, mas sem convicção suficiente para reivindicar uma descoberta sólida.

Sem dinheiro para refazer o experimento, Brookhaven aposentou o anel de armazenamento de múons de 15 metros em 2001. O universo foi ficou esperando.

A grande jogada

No Fermilab, um novo campus dedicado ao estudo de múons estava sendo construído.

“Isso abriu um mundo de possibilidades”, lembrou o Dr. Polly em seu artigo biográfico. A esta altura, dr. Polly estava trabalhando no Fermilab; ele pediu ao laboratório para refazer o experimento g-2.

Para conduzir o experimento, no entanto, eles precisavam da “pista de corridas” de 15 metros de Brookhaven. E assim, em 2013, o ímã passou por uma odisseia de 5 mil km, principalmente de balsa até o Fermilab.

O experimento começou em 2018 com um feixe de múon mais intenso e o objetivo de compilar 20 vezes mais dados do que a versão Brookhaven.

Enquanto isso, em 2020, um grupo de 170 especialistas conhecidos como A Iniciativa Teórica Do Múon g-2 publicou um novo valor de consenso do valor teórico do momento magnético do múon, baseado em três anos de oficinas e cálculos utilizando o Modelo Padrão. Essa resposta reforçou a discrepância original relatada por Brookhaven.

No dia do anúncio do Fermilab outro grupo, usando uma técnica diferente conhecida como cálculo de treliça para calcular o momento magnético do múon, obteve uma resposta diferente do grupo do Dr. El-Khadra, adicionando uma nova nota de incerteza ao processo.

“Sim, afirmamos que não há discrepância entre o Modelo Padrão e o resultado de Brookhaven, nenhuma nova física”, disse Zoltan Fodor, da Universidade Estadual da Pensilvânia, um dos autores de um relatório publicado na Nature na quarta-feira, em entrevista.

El-Khadra chamou de “cálculo incrível”, mas acrescentou que precisava ser verificado em contraste com pesquisas independentes de outros grupos.

Para o escuro

Para evitar o viés humano os pesquisadores usaram se engajaram em uma prática, chamada cegueira, que é comum a grandes experimentos. Neste caso, o relógio mestre que acompanha a oscilação dos múons foi definido para uma taxa desconhecida pelos pesquisadores. A imagem foi seleada em envelopes que estavam guardados nos escritórios da Fermilab e da Universidade de Washington, em Seattle.

Em uma cerimônia em 25 de fevereiro que foi gravada em vídeo e assistida ao redor do mundo no Zoom, o Dr. Polly abriu o envelope Fermilab e David Hertzog da Universidade de Washington abriu o envelope de Seattle. O número contido no envelope foi inserido em uma planilha, fornecendo uma chave para os dados, e o resultado surgiu junto com uma exclamação de todos.

“Isso levou a um momento realmente emocionante, porque ninguém na colaboração sabia a resposta até o mesmo momento”, disse Saskia Charity, uma pós-doutora do Fermilab.

Foi um grande orgulho realizar uma medição tão difícil, e então alegria que os resultados coincidiram com os de Brookhaven.

“Isso parece ser uma confirmação de que Brookhaven não foi um acaso”, disse o Dr. Carena, o físico teórico. “Eles têm uma chance real de quebrar o Modelo Padrão.”

Os físicos dizem que a anomalia lhes deu ideias de como procurar novas partículas. Entre elas estão partículas leves o suficiente para estar ao alcance do Grande Colisor de Hádrons ou de seu sucessor. De fato, alguns já podem ter sido alcançados, mas são tão raros que ainda não emergiram do monstruoso conjunto de dados registrados pelo instrumento.

Outro candidato chamado Z-prime poderia esclarecer alguns quebra-cabeças no Big Bang, de acordo com Gordan Krnjaic, um cosmólogo do Fermilab.

O resultado do G-2 poderia definir como será agenda para a física da próxima geração.

“Se o valor central da anomalia observada permanecer fixo, as novas partículas não podem se esconder para sempre”, disse ele. “Aprenderemos muito mais sobre física fundamental daqui para frente.” [NY Times]

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