Em 2001, no Laboratório Nacional de Brookhaven em Upton, Nova york, uma instalação usada para pesquisas em física nuclear e de alta energia, os cientistas que faziam experiências com uma partícula subatômica chamada múon encontraram algo inesperado.

Para explicar as forças físicas fundamentais em ação no universo e prever os resultados de experimentos com partículas de alta energia, como os conduzidos em Brookhaven, Fermilab em Illinois, e no Grande Colisor de Hádrons do CERN em Genebra, Suíça, os físicos contam com a teoria de décadas chamada Modelo Padrão, que deve explicar o comportamento preciso dos múons quando eles são disparados através de um intenso campo magnético criado em um anel de armazenamento magnético supercondutor. Quando o múon no experimento de Brookhaven reagiu de uma forma diferente de suas previsões, pesquisadores perceberam que estavam à beira de uma descoberta que poderia mudar a compreensão da ciência sobre como o universo funciona.

No início deste mês, após um esforço de décadas que envolveu a construção de sensores mais poderosos e a melhoria da capacidade dos pesquisadores de processar 120 terabytes de dados (o equivalente a 16 milhões de fotografias digitais por semana), uma equipe de cientistas do Fermilab anunciou os primeiros resultados de um experimento chamado Muon g-2, que sugere que a descoberta de Brookhaven não foi um acaso e que a ciência está à beira de uma descoberta sem precedentes.

O professor de física UVA Dinko Počanić esteve envolvido no experimento Muon g-2 por quase duas décadas, e UVA Today conversou com ele para saber mais sobre o que significa.

P. Quais são os resultados dos experimentos Brookhaven e Fermilab Muon g-2, e por que eles são importantes?

A. Então, no experimento de Brookhaven, eles fizeram várias medições com múons positivos e negativos - um instável, primo mais massivo do elétron - em diferentes circunstâncias, e quando eles calcularam a média de suas medições, eles quantificaram uma anomalia magnética característica do múon com mais precisão do que nunca. De acordo com a mecânica quântica relativística, a força do momento magnético do múon (uma propriedade que ele compartilha com uma agulha de bússola ou um ímã de barra) deve ser dois em unidades adimensionais apropriadas, o mesmo que para um elétron. O modelo padrão afirma, Contudo, que não são dois, é um pouco maior, e essa diferença é a anomalia magnética. A anomalia reflete o acoplamento do múon a praticamente todas as outras partículas existentes na natureza. Como isso é possível?

A resposta é que o espaço em si não é vazio; o que pensamos como um vácuo contém a possibilidade da criação de partículas elementares, dada energia suficiente. Na verdade, essas partículas potenciais são impacientes e estão virtualmente excitadas, faiscando no espaço por momentos inimaginavelmente curtos no tempo. E por mais fugaz que seja, esta centelha é "sentida" por um múon, e afeta sutilmente as propriedades do múon. Assim, a anomalia magnética do múon fornece uma sonda sensível do conteúdo subatômico do vácuo.

Para a enorme frustração de todos os físicos praticantes da minha geração e mais jovens, o modelo padrão tem sido irritantemente imune a desafios. Sabemos que existem coisas que devem existir fora dele porque ele não pode descrever tudo o que sabemos sobre o universo e sua evolução. Por exemplo, não explica a prevalência da matéria sobre a antimatéria no universo, e não diz nada sobre a matéria escura ou muitas outras coisas, então sabemos que está incompleto. E tentamos muito entender o que essas coisas podem ser, mas não encontramos nada de concreto ainda.

Então, com este experimento, estamos desafiando o modelo padrão com níveis crescentes de precisão. Se o modelo padrão estiver correto, devemos observar um efeito que é completamente consistente com o modelo porque inclui todas as partículas possíveis que se pensa estarem presentes na natureza, mas se virmos um valor diferente para esta anomalia magnética, significa que realmente há algo mais. E é isso que estamos procurando:essa outra coisa.

Este experimento nos diz que estamos à beira de uma descoberta.

P. Que papel você desempenhou no experimento?

R. Tornei-me membro desta colaboração quando tínhamos acabado de começar a planejar o acompanhamento do experimento de Brookhaven por volta de 2005, apenas alguns anos após o término do experimento de Brookhaven, e estávamos considerando a possibilidade de fazer medições mais precisas em Brookhaven. Eventualmente, essa ideia foi abandonada, como descobrimos que poderíamos fazer um trabalho muito melhor no Fermilab, que tinha melhores feixes, múons mais intensos e melhores condições de experimento.

Então, propusemos que por volta de 2010, e foi aprovado e financiado por agências de financiamento dos EUA e internacionais. Uma parte importante foi financiada por uma bolsa de Instrumentação de Pesquisa Principal da National Science Foundation concedida a um consórcio de quatro universidades, e UVA era um deles. Estávamos desenvolvendo uma parte da instrumentação para a detecção de pósitrons que emergem em decaimentos de múons positivos. Terminamos esse trabalho, e foi um sucesso, então meu grupo mudou o foco para as medições precisas do campo magnético no anel de armazenamento no Fermilab, uma parte crítica da quantificação da anomalia magnética do múon. Meu colega do corpo docente da UVA Stefan Baessler também tem trabalhado neste problema, e vários alunos e pós-doutorandos da UVA estiveram ativos no projeto ao longo dos anos.

P. O Fermilab anunciou que estes são apenas os primeiros resultados do experimento. O que ainda precisa acontecer antes de sabermos o que essa descoberta significa?

A. Depende de como os resultados de nossa análise dos segmentos de execução ainda não analisados ​​resultam. A análise da primeira execução levou cerca de três anos. A corrida foi concluída em 2018, mas acho que agora que resolvemos alguns dos problemas da análise, pode ir um pouco mais rápido. Então, em cerca de dois anos, seria razoável ter o próximo resultado, o que seria um pouco mais preciso porque combina as corridas dois e três. Então haverá outra corrida, e provavelmente terminaremos de coletar os dados em mais dois anos. O final preciso das medições ainda é um pouco incerto, mas eu diria que daqui a cinco anos, talvez mais cedo, devemos ter uma imagem muito clara.

P. Que tipo de impacto esses experimentos podem ter em nossa vida cotidiana?

R. Uma maneira é levar tecnologias específicas ao extremo na solução de diferentes aspectos da medição para obter o nível de precisão de que precisamos. O impacto provavelmente viria em campos como a física, indústria e medicina. Haverá desdobramentos técnicos, ou pelo menos melhorias nas técnicas, mas quais os específicos que sairão disso, é difícil prever. Usualmente, pressionamos as empresas a fazer produtos de que precisamos e que de outra forma não fariam, e então um novo campo se abre para eles em termos de aplicações para esses produtos, e isso é o que costuma acontecer. A World Wide Web foi inventada, por exemplo, porque pesquisadores como nós precisavam ser capazes de trocar informações de maneira eficiente em grandes distâncias, ao redor do mundo, realmente, e é assim que temos, Nós vamos, navegadores da web, Ampliação, Amazon e todos esses tipos de coisas hoje.

A outra maneira pela qual nos beneficiamos é educando jovens cientistas - alguns dos quais continuarão nas carreiras científicas e acadêmicas como eu - mas outros irão para diferentes campos de atuação na sociedade. Eles trarão com eles um conhecimento em técnicas de medição e análise de alto nível que normalmente não são encontradas em muitos campos.

E então, finalmente, outro resultado é o aprimoramento intelectual. Um dos resultados deste trabalho será nos ajudar a entender melhor o universo em que vivemos.

P. Podemos ver mais descobertas como esta em um futuro próximo?

A. Sim, há toda uma classe de experimentos além deste que examina testes altamente precisos do Modelo Padrão de várias maneiras. Sempre me lembro do velho ditado que diz que se você perder as chaves na rua tarde da noite, você primeiro vai procurá-los sob o poste de luz, e é isso que estamos fazendo. Então, em todos os lugares há um poste de luz, estamos procurando. Este é um desses lugares - e existem vários outros, Nós vamos, Eu diria dezenas de outros, se você também incluir pesquisas que estão acontecendo por partículas subatômicas como axions, candidatos à matéria escura, processos exóticos como decaimento beta duplo, e esse tipo de coisas. Um destes dias, coisas novas serão encontradas.

Sabemos que o Modelo Padrão está incompleto. Nao e errado, na medida em que vai, mas há coisas fora dele que não incorporam, e nós os encontraremos.