Por décadas, cientistas que estudam o múon ficaram intrigados com um estranho padrão na forma como os múons giram em campos magnéticos, um que deixou os físicos se perguntando se ele pode ser explicado pelo Modelo Padrão - a melhor ferramenta que os físicos têm para entender o universo.

Esta semana, uma equipe internacional de mais de 170 físicos publicou a previsão mais confiável até agora para o valor teórico do momento magnético anômalo do múon, que explicaria sua rotação particular, ou precessão. O momento magnético das partículas subatômicas é geralmente expresso em termos do fator de Landé adimensional, chamado g. Embora vários grupos internacionais tenham trabalhado separadamente no cálculo, esta publicação marca a primeira vez que a comunidade da física teórica global se reúne para publicar um valor de consenso para o momento magnético do múon.

O resultado difere da medição experimental mais recente, que foi realizado no Laboratório Nacional de Brookhaven em 2004, mas não de forma significativa o suficiente para responder de forma inequívoca a esta pergunta.

Agora o mundo aguarda o resultado do atual experimento Muon g-2 do Fermilab. Nos próximos meses, os físicos que trabalham no experimento revelarão suas medidas preliminares para o valor. Dependendo de quanto o cálculo teórico do Modelo Padrão difere da próxima medição experimental, os físicos podem estar um passo mais perto de determinar se as interações magnéticas do múon estão sugerindo partículas ou forças que ainda não foram descobertas.

No final dos anos 1960, no laboratório CERN, os cientistas começaram a usar um grande anel magnético circular para testar a teoria que descrevia como os múons deveriam "oscilar" ao se mover através de um campo magnético. Desde então, os experimentadores continuaram a quantificar essa oscilação, fazendo medições cada vez mais precisas do momento magnético anômalo do múon.

O esforço de décadas acabou levando a um experimento no Laboratório Nacional de Brookhaven e seu sucessor no Fermilab, bem como planos para um novo experimento no Japão. Ao mesmo tempo, os teóricos trabalharam para melhorar a precisão de seus cálculos e ajustar suas previsões.

O valor teórico do momento magnético anômalo do múon, publicado hoje, é:

a =(g-2) / 2 (múon, teoria) =116 591 810 (43) x 10 ^-12

O resultado experimental mais preciso disponível até agora é:

a =(g-2) / 2 (múon, expmt) =116 592 089 (63) x 10 ^-12

Novamente, a ligeira discrepância entre as medições experimentais e o valor previsto persistiu, e, novamente, está logo abaixo do limiar para fazer uma declaração definitiva.

Este valor teórico, publicado no arXiv, é o resultado de mais de três anos de trabalho de 130 físicos de 78 instituições em 21 países.

"Não tivemos um esforço teórico como este antes, em que todas as diferentes avaliações são combinadas em uma única previsão do Modelo Padrão, "disse Aida El-Khadra, um físico da Universidade de Illinois e co-presidente do Comitê Diretivo da Muon g-2 Theory Initiative, o nome do grupo de cientistas que trabalhou no cálculo.

Seu trabalho baseia-se em uma única equação publicada em 1928 que simultaneamente iniciou o campo da eletrodinâmica quântica e lançou as bases para o experimento Muon g-2.

Uma teoria elegante

Se você perguntasse aos físicos o que eles consideram a equação mais precisa e bem-sucedida em seu campo, as chances são mais do que alguns diriam que é a equação de Dirac, que descreve a teoria quântica relativística do elétron. Publicado em 1928, Dirac descreveu o movimento de rotação dos elétrons, e sua equação preencheu a lacuna entre a teoria da relatividade de Einstein e a teoria da mecânica quântica, e sem querer previu a existência de antimatéria com apenas uma única equação.

Dirac também foi capaz de calcular algo chamado momento magnético do elétron, que ele descreveu como sendo "um bônus inesperado".

Os elétrons podem ser vistos como minúsculos piões que giram em seu eixo, uma propriedade intrínseca que faz com que cada elétron atue como um minúsculo ímã. Quando colocado em um campo magnético, como os gerados em aceleradores de partículas, os elétrons terão precessão - ou oscilarão em seu eixo - em um padrão específico e previsível. Esta oscilação é um efeito do momento magnético da partícula, e se aplica a mais do que elétrons. Cada partícula eletricamente carregada com ½ spin (o spin é quantificado em unidades pela metade) se comporta da mesma maneira, incluindo partículas chamadas múons, que têm as mesmas propriedades dos elétrons, mas são mais de 200 vezes mais massivos.

Equação de Dirac, que não levou em consideração os efeitos das flutuações quânticas, previu que g seria igual a 2. A experiência mostrou que o valor real difere dessa expectativa simples - daí o nome "múon g-2".

Os físicos agora têm uma compreensão muito melhor do que são essas flutuações quânticas e como se comportam em escalas subatômicas, mas calcular com precisão como eles afetam o caminho do múon não é uma tarefa fácil.

"Calcular os efeitos dessas flutuações quânticas no nível de precisão exigido pelos experimentos modernos não é algo que uma pessoa brilhante pode fazer sozinha, "El-Khadra disse." Realmente ocupa toda a aldeia. "

Encontro de mentes

Com tantos físicos trabalhando nos últimos desenvolvimentos da teoria em todo o mundo, El-Khadra e seus colegas do Fermilab sabiam que a melhor maneira de facilitar as interações entre os grupos era juntando todos eles. Então, começando em 2016, El-Khadra e seus colegas do Grupo de Teoria do Fermilab, junto com o cientista do Laboratório Nacional de Brookhaven, Christoph Lehner, Co-presidente da Iniciativa de Teoria, e vários outros colaboradores internacionais entraram em contato com os líderes da comunidade global de físicos que trabalham neste problema para criar uma nova iniciativa, a Iniciativa da Teoria Muon g-2. A iniciativa, liderado por um Comitê de Orientação de nove pessoas que inclui líderes de todos os principais esforços em teoria e experimento, organizou uma série de workshops em todo o mundo, incluindo nos EUA, Japão e Alemanha, o primeiro deles foi hospedado no Fermilab em 2017.

"Tivemos algumas discussões muito intensas, "El-Khadra disse, "Isso levou a comparações mais detalhadas e a uma melhor compreensão dos prós e contras das várias abordagens."

O estabelecimento da Iniciativa da Teoria do Muon g-2 foi o primeiro esforço internacional coerente para reunir todas as partes que trabalham no valor do Modelo Padrão do momento magnético anômalo do múon.

"Antes de esta iniciativa começar, havia uma série de avaliações na literatura do valor do Modelo Padrão, cada um dos quais diferia ligeiramente dos outros, "disse o cientista Lee Roberts da Universidade de Boston, co-fundador da experiência do Fermilab e membro do Steering Committee da iniciativa. "O notável é que esta comunidade mundial conseguiu se reunir e concordar sobre o 'melhor' valor para cada uma das contribuições para o valor do momento magnético do múon."

Cálculos quânticos

"Muons e outras partículas de spin ½ nunca estão realmente sozinhos no universo, "disse o cientista do Fermilab Chris Polly, que é um dos porta-vozes do Muon g-2, junto com o físico da Universidade de Manchester, Mark Lancaster. "Eles interagem com toda uma comitiva de partículas que estão constantemente surgindo e desaparecendo da existência."

As duas principais fontes de incerteza são a polarização a vácuo hadrônica e o espalhamento luz por luz - em que um múon emite e reabsorve fótons após terem viajado através de uma bolha de quarks e glúons. Ambos os fatores se combinam para formar menos de 0,01% do efeito sobre a oscilação do múon, mas constituem a principal fonte de incerteza no cálculo da teoria.

Calcular a parte do espalhamento de luz por luz da contribuição hadrônica provou ser especialmente difícil, e antes do início da Iniciativa da Teoria Muon g-2, os físicos ainda não haviam produzido estimativas confiáveis ​​de seus efeitos. O melhor que eles conseguiram fazer foram aproximações grosseiras que levaram alguns a se perguntar se essas avaliações do espalhamento luz por luz poderiam ser a fonte da diferença entre o momento magnético anômalo calculado do múon e o valor medido experimentalmente.

Mas os teóricos agora estão confiantes de que podem eliminar essas dúvidas. Graças aos esforços heróicos nos últimos anos dentro da comunidade teórica, não apenas um, mas duas avaliações independentes estão agora disponíveis, cada um com incertezas estimadas de forma confiável, que estão incluídos no erro total da previsão do Modelo Padrão listada acima.

"Agora quantificamos a contribuição do espalhamento de luz por luz, de tal forma que ela não pode mais ser usada como uma explicação para salvar o Modelo Padrão se o valor experimental acabar diferindo significativamente da previsão teórica, "disse o físico do Brookhaven National Laboratory Christoph Lehner, Co-presidente da Iniciativa de Teoria.

E com tanto em jogo, El-Khadra e outros membros da Theory Initiative não deixaram nada ao acaso.

"Enfatizamos fortemente a importância de incluir avaliações baseadas em vários métodos diferentes em nossa construção da previsão do Modelo Padrão do momento magnético anômalo do múon, "El-Khadra disse." Porque se descobrirmos que a medição do experimento do Fermilab é inconsistente com o Modelo Padrão, queremos ter certeza. "