Sete anos atrás, um grande ímã foi transportado por 3, 200 milhas (5, 150km) por terra e mar, na esperança de estudar uma partícula subatômica chamada muon.

Os múons estão intimamente relacionados aos elétrons, que orbitam cada átomo e formam os blocos de construção da matéria. O elétron e o múon têm propriedades preditas precisamente por nossa melhor teoria científica atual que descreve o subatômico, mundo quântico, o modelo padrão da física de partículas.

Toda uma geração de cientistas se dedicou a medir essas propriedades em detalhes requintados. Em 2001, um experimento sugeriu que uma propriedade do múon não era exatamente como o modelo padrão previa, mas novos estudos foram necessários para confirmar. Os físicos mudaram parte do experimento para um novo acelerador, no Fermilab, e começou a coletar mais dados.

Uma nova medição agora confirmou o resultado inicial. Isso significa que podem existir novas partículas ou forças que não são contabilizadas no modelo padrão. Se esse é o caso, as leis da física terão de ser revistas e ninguém sabe aonde isso pode levar.

Este último resultado vem de uma colaboração internacional, do qual ambos fazemos parte. Nossa equipe tem usado aceleradores de partículas para medir uma propriedade chamada momento magnético do múon.

Cada múon se comporta como uma minúscula barra magnética quando exposto a um campo magnético, um efeito chamado momento magnético. Os múons também têm uma propriedade intrínseca chamada "spin, "e a relação entre o spin e o momento magnético do múon é conhecida como fator g. Prevê-se que o" g "do elétron e do múon seja dois, então g menos dois (g-2) deve ser medido como zero. É isso que estamos testando no Fermilab.

Para esses testes, cientistas usaram aceleradores, o mesmo tipo de tecnologia que o Cern usa no LHC. O acelerador do Fermilab produz múons em grandes quantidades e medidas, muito precisamente, como eles interagem com um campo magnético.

O comportamento do múon é influenciado por "partículas virtuais" que surgem e desaparecem do vácuo. Estes existem fugazmente, mas por tempo suficiente para afetar como o múon interage com o campo magnético e muda o momento magnético medido, embora por uma pequena quantidade.

O modelo padrão prevê com muita precisão, para melhor do que uma parte em um milhão, qual é esse efeito. Desde que saibamos quais partículas estão borbulhando dentro e fora do vácuo, experimento e teoria devem corresponder. Mas, se o experimento e a teoria não combinarem, nossa compreensão da sopa de partículas virtuais pode ser incompleta.

Novas partículas

A possibilidade da existência de novas partículas não é especulação ociosa. Essas partículas podem ajudar a explicar vários dos grandes problemas da física. Por que, por exemplo, o universo tem tanta matéria escura - fazendo com que as galáxias girem mais rápido do que esperávamos - e por que quase toda a antimatéria criada no Big Bang desapareceu?

O problema até agora é que ninguém viu nenhuma dessas novas partículas propostas. Esperava-se que o LHC no Cern os produzisse em colisões entre prótons de alta energia, mas eles ainda não foram observados.

A nova medição usou a mesma técnica de um experimento no "Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York, no começo do século, que seguiu uma série de medições no Cern.

O experimento Brookhaven mediu uma discrepância com o modelo padrão que tinha um em 5, 000 chance de ser um acaso estatístico. Esta é aproximadamente a mesma probabilidade de jogar uma moeda 12 vezes seguidas, todos os alertas.

Isso era tentador, mas muito abaixo do limite para descoberta, que geralmente é necessário ser melhor do que um em 1,7 milhão - ou 21 lançamentos de moeda em sequência. Para determinar se a nova física estava em jogo, os cientistas teriam que aumentar a sensibilidade do experimento por um fator de quatro.

Para fazer a medição aprimorada, o ímã no centro do experimento teve que ser movido em 2013 3, 200 milhas de Long Island ao longo do mar e da estrada, para o Fermilab, fora de Chicago, cujos aceleradores poderiam produzir uma fonte abundante de múons.

Uma vez no lugar, um novo experimento foi construído em torno do ímã com detectores e equipamentos de última geração. O experimento do muon g-2 começou a coletar dados em 2017, com a colaboração de veteranos do experimento Brookhaven e uma nova geração de físicos.

Os novos resultados, do primeiro ano de dados do Fermilab, estão em linha com a medição do experimento Brookhaven. A combinação dos resultados reforça o caso de discordância entre a medição experimental e o modelo padrão. As chances agora são de cerca de uma em 40, 000 da discrepância sendo um acaso - ainda tímido quanto ao limite de descoberta do padrão ouro.

O LHC

Curiosamente, uma observação recente do experimento LHCb no Cern também encontrou possíveis desvios do modelo padrão. O que é empolgante é que isso também se refere às propriedades dos múons. Desta vez, é uma diferença em como os múons e elétrons são produzidos a partir de partículas mais pesadas. Espera-se que as duas taxas sejam as mesmas no modelo padrão, mas a medição experimental descobriu que eles eram diferentes.

Tomados em conjunto, os resultados do LHCb e do Fermilab reforçam o caso de que observamos a primeira evidência da falha de predição do modelo padrão, e que existem novas partículas ou forças na natureza a serem descobertas.

Para a confirmação final, isso precisa de mais dados do experimento de múon do Fermilab e do experimento LHCb de Cern. Os resultados serão divulgados nos próximos anos. O Fermilab já possui quatro vezes mais dados do que os usados ​​neste resultado recente, atualmente sendo analisado, O Cern começou a coletar mais dados e uma nova geração de experimentos com múons está sendo construída. Esta é uma era emocionante para a física.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.