Cientistas dos laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão colaborando para testar uma propriedade magnética do múon. Seu experimento pode apontar para a existência de física além do nosso entendimento atual, incluindo partículas não descobertas.

O experimento segue aquele que começou em 1999 no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, no qual os cientistas mediram a precessão do spin do múon, ou seja, a velocidade com que seu giro muda de direção - para ser diferente das previsões teóricas. Cientistas do Argonne National Laboratory e do Fermi National Accelerator Laboratory, junto com colaboradores de mais de 25 outras instituições, estão recriando o experimento com uma precisão muito maior para confirmar ou refutar os primeiros resultados anteriores.

O múon é como o (muito) irmão mais velho do elétron; eles têm a mesma carga, mas o múon é mais de 200 vezes mais massivo. Os dois também compartilham o mesmo giro, uma propriedade da mecânica quântica que determina o comportamento de uma partícula na presença de um campo magnético.

Partículas com rotação agem como pequenos ímãs, e quando colocado em um campo magnético, seus giros mudam de direção em um movimento circular, muito parecido com um giroscópio giratório. A velocidade de precessão do spin de uma partícula é determinada por uma quantidade conhecida como seu fator g, que depende do spin da partícula e da força do campo magnético no qual ela se move.

Nas modernas teorias de mecânica quântica, o vácuo não está vazio. Está cheio de bolhas das chamadas partículas virtuais, aparecendo e desaparecendo muito rapidamente. Interações entre essas partículas virtuais e uma partícula real, como o muon, pode mudar a forma como a partícula real interage com o campo magnético, afetando seu fator g. Os físicos teóricos calcularam, com base em nosso entendimento atual da estrutura fundamental da natureza, todas as maneiras que cada partícula conhecida afeta o fator g do múon, mas as medições que os cientistas de Brookhaven fizeram diferiram do que esperavam em algumas partes por milhão. Esta diferença, se persistir no novo experimento, apontaria para uma física completamente nova - uma descoberta empolgante para os físicos de partículas.

"Se houver realmente uma discrepância entre os valores preditos e medidos, é mais uma prova de que o Modelo Padrão, nossa compreensão atual do conteúdo do universo, está incompleto, "disse o físico de Argonne, Peter Winter." O efeito inesperado pode ser devido a uma partícula não descoberta. "

No novo experimento, situado no Fermilab, um feixe vai viajar em um círculo através de um grande, anel oco devido à presença de um forte campo magnético. O mesmo campo magnético também levará à precessão dos giros do múon enquanto eles circulam ao redor do anel. Os cientistas podem calcular o fator g detectando a precessão do spin dos múons e conhecendo a força do campo magnético no anel.

Para alcançar a precisão desejada, tanto a freqüência de precessão do spin quanto a intensidade do campo magnético devem ser medidas com incertezas abaixo de 70 partes por bilhão. O grupo de pesquisa da Argonne assumiu a responsabilidade de medir o campo magnético com alta precisão. "O jogo do nosso experimento é controlar qualquer incerteza sistemática que possa distorcer nossas medições precisas, "disse Winter.

Este nível de precisão requer dispositivos de sondagem muito sensíveis que os cientistas calibraram usando campos altamente estáveis ​​e isolados produzidos por máquinas de ressonância magnética recicladas em Argonne.

Depois de calibrar as sondas, os cientistas colocaram 17 deles em um carrinho circular que circula pelo anel do Fermilab. O bonde mede o campo em cerca de 10, 000 pontos, criando um mapa da intensidade do campo em todo o anel. O carrinho repousa sobre dois trilhos que correm ao longo das laterais do tubo, e os cientistas movem o carrinho ao redor do anel usando dois cabos presos a carretéis motorizados.

"Este carrinho tem que se mover no vácuo, "disse Ran Hong, um pós-doutorado em Argonne nomeado para o estudo, "portanto, controlar seu movimento e receber os dados das sondas é muito desafiador."

Para perturbar o campo o mínimo possível, apenas um único cabo de sinal isolado conecta o carrinho ao mundo exterior. Este cabo envia informações para o carrinho para guiá-lo ao redor do laço, e ele envia os dados das sondas de volta para a sala de controle.

O sistema mais antigo usado em Brookhaven para o experimento daquele laboratório enviava as informações usando um sinal analógico, mas os cientistas e engenheiros da Argonne digitalizaram o sinal para aumentar a quantidade de dados obtidos. “O acesso a mais dados brutos permite uma melhor análise, e isso levou a um aumento de 10 vezes na precisão, "disse Winter.

Por causa do maior conjunto de dados digitais, o cabo só pode enviar informações em uma direção de cada vez. "Temos que alternar entre enviar as instruções do carrinho e receber os dados, "disse Hong." Cerca de 20 milissegundos, a direção muda. "

Os cientistas estão montando o experimento Muon g-2 há seis anos. Este ano, eles começarão a obter dados oficiais. O experimento será executado por meses, medindo a precessão do spin de aproximadamente um trilhão de múons. A cada dois a três dias, o experimento fará uma pausa para permitir que o carrinho meça o campo, e sondas menores do lado de fora da câmara de vácuo estimarão o campo o tempo todo enquanto o experimento é executado.

"Ao contrário de experimentos em grande escala que tentam detectar partículas desconhecidas diretamente, nossa abordagem é buscar efeitos indiretos que mudem algo em uma escala muito pequena, "disse Winter." Medindo com muita precisão este fator, podemos inferir se há ou não algo novo. "

Se os novos dados confirmarem a medição anterior, os cientistas planejam conduzir o experimento com precisão ainda maior. A análise desses novos dados pode dar uma ideia da natureza da nova física, e poderia indicar qual detector teria que ser construído para observar o potencial de novas partículas diretamente.