A física moderna é cheia de curvas, tramas de quebra-cabeça dentro de um quebra-cabeça que você encontraria em uma história de detetive clássica:tanto os físicos quanto os detetives devem separar cuidadosamente as pistas importantes das informações não relacionadas. Tanto os físicos quanto os detetives às vezes precisam ir além da explicação óbvia para revelar totalmente o que está acontecendo.

E para físicos e detetives, descobertas importantes podem depender de deduções no nível de Sherlock Holmes com base em evidências fáceis de ignorar. Caso em questão:o experimento Muon g-2 atualmente em andamento no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA.

O atual experimento Muon g-2 (pronuncia-se "g menos dois") é na verdade uma sequela, um experimento projetado para reexaminar uma ligeira discrepância entre a teoria e os resultados de um experimento anterior no Laboratório Nacional de Brookhaven, que também foi chamado de Muon g-2.

A discrepância pode ser um sinal de que uma nova física está em andamento. Os cientistas querem saber se a medição se mantém ... ou se não passa de uma pista falsa.

A colaboração Fermilab Muon g-2 anunciou que apresentará seu primeiro resultado no dia 7 de abril. Até então, vamos desvendar os fatos do caso.

O misterioso momento magnético

Tudo girando, objetos carregados, incluindo múons e seus irmãos de partículas mais conhecidos, elétrons - geram seus próprios campos magnéticos. A intensidade do campo magnético de uma partícula é chamada de "momento magnético" ou "fator g". (É a isso que se refere a parte "g" de "g-2".)

Para entender a parte "-2" de "g-2, "temos que voltar um pouco no tempo.

Experimentos de espectroscopia na década de 1920 (antes da descoberta dos múons em 1936) revelaram que o elétron tem um spin intrínseco e um momento magnético. O valor desse momento magnético, g, foi determinado experimentalmente como sendo 2. Quanto a por que esse era o valor - esse mistério foi logo resolvido usando o novo, mas em rápido crescimento, campo da mecânica quântica.

Em 1928, o físico Paul Dirac - com base no trabalho de Llewelyn Thomas e outros - produziu uma equação agora famosa que combinava a mecânica quântica e a relatividade especial para descrever com precisão o movimento e as interações eletromagnéticas de elétrons e todas as outras partículas com o mesmo número quântico de spin. A equação de Dirac, que incorporou o spin como uma parte fundamental da teoria, previu que g deveria ser igual a 2, exatamente o que os cientistas mediram na época.

Mas, à medida que os experimentos se tornaram mais precisos na década de 1940, novas evidências vieram à luz que reabriram o caso e levaram a surpreendentes novas percepções sobre o reino quântico.

Uma conspiração de partículas

O elétron, acabou, tinha um pouco de magnetismo extra que a equação de Dirac não explicava. Esse magnetismo extra, expresso matematicamente como "g-2" (ou a quantidade em que g difere da previsão de Dirac), é conhecido como o "momento magnético anômalo". Por um tempo, os cientistas não sabiam o que o causou.

Se este fosse um mistério de assassinato, o momento magnético anômalo seria como uma impressão digital extra de proveniência desconhecida em uma faca usada para esfaquear uma vítima - um detalhe pequeno, mas suspeito, que justifica uma investigação mais aprofundada e poderia revelar uma dimensão totalmente nova da história.

O físico Julian Schwinger explicou a anomalia em 1947, teorizando que o elétron poderia emitir e então reabsorver um "fóton virtual". A interação fugaz aumentaria ligeiramente o magnetismo interno do elétron em um décimo de um por cento, a quantidade necessária para alinhar o valor previsto com a evidência experimental. Mas o fóton não é o único cúmplice.

Hora extra, pesquisadores descobriram que havia uma extensa rede de "partículas virtuais" constantemente aparecendo e desaparecendo do vácuo quântico. Isso é o que estava mexendo com o pequeno ímã giratório do elétron.

O momento magnético anômalo representa a influência simultânea combinada de todos os efeitos possíveis daqueles conspiradores quânticos efêmeros sobre o elétron. Algumas interações são mais prováveis ​​de ocorrer, ou são sentidos com mais força do que outros, e, portanto, dão uma contribuição maior. Mas todas as partículas e forças do Modelo Padrão fazem parte.

Os modelos teóricos que descrevem essas interações virtuais têm sido muito bem-sucedidos na descrição do magnetismo dos elétrons. Para o g-2 do elétron, os cálculos teóricos estão agora tão de acordo com o valor experimental que é como medir a circunferência da Terra com uma precisão menor do que a largura de um único fio de cabelo humano.

Todas as evidências apontam para um dano quântico perpetrado por partículas conhecidas que causam quaisquer anomalias magnéticas. Caso encerrado, direito?

Não exatamente. Agora é hora de ouvir o lado da história do múon.

Nem um fio de cabelo fora do lugar - ou está?

As primeiras medições do momento magnético anômalo do múon na Universidade de Columbia na década de 1950 e no laboratório de física europeu CERN nas décadas de 1960 e 1970 concordaram bem com as previsões teóricas. A incerteza da medição encolheu de 2% em 1961 para 0,0007% em 1979. Parecia que a mesma conspiração de partículas que afetou o g-2 do elétron era responsável pelo momento magnético do múon também.

Mas então, em 2001, o experimento Brookhaven Muon g-2 revelou algo estranho. O experimento foi projetado para aumentar a precisão das medições do CERN e observar a contribuição da força fraca para a anomalia. Conseguiu reduzir as barras de erro para meia parte por milhão. Mas também mostrou uma pequena discrepância - menos de 3 partes por milhão - entre a nova medição e o valor teórico. Desta vez, os teóricos não conseguiram encontrar uma maneira de recalcular seus modelos para explicá-lo. Nada no Modelo Padrão poderia explicar a diferença.

Era o mistério da física equivalente a um único fio de cabelo encontrado na cena do crime com DNA que não parecia corresponder a ninguém conectado ao caso. A questão era - e ainda é - se a presença do cabelo é apenas uma coincidência, ou se é realmente uma pista importante.

Os físicos agora estão reexaminando esse "cabelo" no Fermilab, com o apoio do DOE Office of Science, a National Science Foundation e várias agências internacionais na Itália, o Reino Unido, a UE, China, Coréia e Alemanha.

No novo experimento Muon g-2, um feixe de múons - todos os seus giros apontando para a mesma direção - são disparados em um tipo de acelerador chamado anel de armazenamento. O forte campo magnético do anel mantém os múons em um caminho circular bem definido. Se g fosse exatamente 2, então, os spins dos múons seguiriam exatamente o seu momento. Mas, por causa do momento magnético anômalo, os múons têm uma leve oscilação adicional na rotação de seus spins.

Quando um múon decai em um elétron e dois neutrinos, o elétron tende a disparar na direção apontada pelo spin do múon. Os detectores no interior do anel captam uma parte dos elétrons lançados pelos múons que sofrem a oscilação. O registro dos números e das energias dos elétrons que eles detectam ao longo do tempo dirá aos pesquisadores o quanto o spin do múon girou.

Usando o mesmo ímã do experimento Brookhaven com instrumentação significativamente melhor, além de um feixe mais intenso de múons produzidos pelo complexo acelerador do Fermilab, os pesquisadores estão coletando 21 vezes mais dados para alcançar uma precisão quatro vezes maior.

O experimento pode confirmar a existência da discrepância; pode não encontrar nenhuma discrepância, apontando para um problema com o resultado de Brookhaven; ou pode encontrar algo no meio, deixando o caso sem solução.

Buscando o submundo quântico

Há motivos para acreditar que algo está acontecendo sobre o qual o Modelo Padrão não nos falou.

O Modelo Padrão é uma explicação notavelmente consistente para praticamente tudo o que acontece no mundo subatômico. Mas ainda existem vários mistérios não resolvidos na física que ele não aborda.

Matéria escura, por exemplo, representa cerca de 27% do universo. E ainda, os cientistas ainda não têm ideia do que é feito. Nenhuma das partículas conhecidas parece se encaixar na conta. O modelo padrão também não pode explicar a massa do bóson de Higgs, o que é surpreendentemente pequeno. Se o experimento Muon g-2 do Fermilab determinar que algo além do Modelo Padrão - por exemplo, uma partícula desconhecida - está mexendo de forma mensurável com o momento magnético do múon, pode apontar os pesquisadores na direção certa para fechar outro desses arquivos abertos.

Uma discrepância confirmada não fornecerá detalhes de nível de DNA sobre qual partícula ou força está tornando sua presença conhecida, mas ajudará a diminuir as faixas de massa e força de interação nas quais os experimentos futuros provavelmente encontrarão algo novo. Mesmo que a discrepância desapareça, os dados ainda serão úteis para decidir onde procurar.

Pode ser que uma figura quântica sombria à espreita além do Modelo Padrão esteja muito bem escondida para a tecnologia atual detectar. Mas se não for, os físicos não deixarão pedra sobre pedra e nenhuma partícula de evidência não analisada até que desvendem o caso.

Esta história sobre o experimento Muon g-2 foi publicada originalmente na Symmetry.