Principais conclusões

• Múons são partículas elementares semelhantes aos elétrons, mas com maior massa.
• Eles são criados naturalmente em raios cósmicos e desempenham um papel crucial em experimentos de física de partículas.
• Os múons têm propriedades únicas que os tornam úteis para o estudo de conceitos fundamentais da física.

O que tem cerca de 200 vezes a massa de um elétron, existe por cerca de 2 milionésimos de segundo, atinge continuamente cada centímetro da superfície da Terra e parece se comportar de uma maneira que abre um buraco nas leis da física há muito aceitas?

Esse seria o múon, uma partícula descoberta pela primeira vez no final da década de 1930, que se forma na natureza quando os raios cósmicos atingem partículas na atmosfera do nosso planeta. Os múons estão passando por você e por tudo ao seu redor a uma velocidade próxima à da luz. No entanto, muitos de nós provavelmente nem percebemos sua existência até abril de 2021, quando a partícula ganhou as manchetes depois que pesquisadores do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do governo dos EUA - mais comumente conhecido como Fermilab - divulgaram os resultados iniciais de um estudo de três anos. -longo experimento Muon g-2.



O estudo do Fermilab confirmou descobertas anteriores de que o múon se comporta de uma forma contrária ao Modelo Padrão da Física de Partículas, a estrutura teórica que visa descrever como a realidade funciona no nível mais ínfimo. Como explica este artigo da Science, os múons – que existem em um mar de outras partículas minúsculas e antipartículas que os afetam – na verdade são um pouco mais magnéticos do que o Modelo Padrão poderia prever. Isso, por sua vez, aponta para a possível existência de outras partículas ou forças ainda desconhecidas.

Como explicou um dos pesquisadores, o físico Jason Bono, em um comunicado de imprensa de sua alma mater, Florida International University, a equipe sabia que se confirmasse a discrepância no magnetismo dos múons, "não saberíamos exatamente o que está causando isso, mas saberíamos que é algo que ainda não entendemos."

Os resultados iniciais, juntamente com outras pesquisas recentes sobre partículas, poderiam ajudar a construir uma nova física que substituiria o Modelo Padrão. Do Fermilab, aqui está um vídeo do YouTube explicando os resultados e seu significado:

“Os múons são como os elétrons, só que 200 vezes mais pesados”, explica Mark B. Wise, em entrevista por e-mail. Ele é professor de física de altas energias no Instituto de Tecnologia da Califórnia e membro da prestigiada Academia Nacional de Ciências. (Se isso não impressiona você o suficiente, ele também atuou como consultor técnico em aceleradores de partículas para o filme de Hollywood de 2010 “Homem de Ferro 2”).

“De acordo com a fórmula de Einstein E =mc2, isso significa que os múons em repouso têm maior energia que os elétrons”, diz Wise. "Isso permite que eles se decomponham em partículas mais leves, ao mesmo tempo que conservam a energia em geral."

Outra diferença importante é que se acredita que os elétrons sejam quase imortais, mas os múons só existem por 2,2 milionésimos de segundo, antes de decaírem em um elétron e dois tipos de neutrinos, de acordo com esta cartilha do Departamento de Energia dos EUA sobre a partícula.

Os múons que são constantemente criados quando os raios cósmicos atingem as partículas na atmosfera da Terra viajam distâncias surpreendentes em sua breve existência, movendo-se próximo à velocidade da luz. Eles atingem cada centímetro da superfície da Terra e passam por quase tudo em seu caminho imediato, penetrando potencialmente uma milha ou mais na superfície da Terra, de acordo com o DOE.

Alguns descreveram os múons como a chave para a compreensão de todas as partículas subatômicas, embora Wise não vá tão longe. “Na busca por uma física além da nossa compreensão atual, você deveria estudar todas as partículas”, diz ele. "No entanto, o múon tem algumas vantagens. Por exemplo, o seu momento magnético anómalo é previsto com muita precisão, o que o torna mais sensível à nova física, para além da nossa teoria actual que alteraria esta previsão. Ao mesmo tempo, pode ser medido com muita precisão."

Estudar múons não é uma questão simples. O Fermilab está usando um dispositivo de 700 toneladas (635 toneladas métricas) contendo três anéis, cada um com 15 metros (50 pés) de diâmetro, que foi enviado por barcaça e caminhão para Illinois a partir de sua sede original no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, há alguns anos. voltar. O dispositivo é capaz de gerar um campo magnético de 1,45 Tesla, aproximadamente 30.000 vezes o campo magnético da Terra.

“É fascinante que, para estudar algo tão pequeno e de vida curta, eles precisem desses equipamentos enormes”, explica Wise. "Quando são produzidos em alta energia, viajam quase à velocidade da luz e podem percorrer uma distância razoável antes de se decomporem. Portanto, você pode procurar as evidências que deixam em um detector."

Por exemplo, como os múons são partículas carregadas, eles podem ionizar a matéria pela qual passam. Os elétrons produzidos por essa ionização podem ser detectados, segundo Wise.

Wise diz que a recente descoberta da equipe do Fermilab de que a partícula é um pouco mais magnética do que os físicos esperavam é significativa. "Isso discorda da previsão das teorias atuais para o momento magnético do múon (a teoria atual é geralmente chamada de Modelo Padrão). Portanto, há alguma física nova além daquela em nossa teoria atual que está presente e muda a previsão para esta quantidade", disse Wise. diz

Como muitas descobertas importantes, a descoberta do Fermilab levanta mais questões novas, e há muito que os cientistas ainda querem saber sobre o múon.

“Qual é a nova física é a questão que ela levanta”, diz Wise. "Existem também algumas outras anomalias que não são explicadas no [Modelo Padrão] que envolvem múons. Estão todos conectados de alguma forma?"

Wise também alerta sobre as descobertas do Fermilab. “Pode ser que haja algum efeito sistemático no experimento que não seja compreendido e esteja impactando a interpretação da medição”, explica. "O mesmo acontece com a teoria. Portanto, esta anomalia pode acabar por desaparecer. É muito importante verificar essas coisas tanto quanto possível."
Agora isso é interessante
Como observa Chris Polly, físico do Fermilab, neste ensaio de 2020, cada partícula do universo – mesmo nas extensões mais profundas e aparentemente vazias do espaço – está rodeada por uma “séquita” de outras partículas, que continuamente “piscam dentro e fora da existência”. "

Perguntas frequentes

Como os múons são detectados e medidos em experimentos científicos?

Os múons são detectados e medidos usando cintiladores, emulsões fotográficas ou aceleradores de partículas, que capturam e analisam as interações dos múons com a matéria.

Quais são algumas aplicações potenciais da tecnologia de imagem de múons além da pesquisa científica?

A tecnologia de imagem de múons pode escanear e visualizar de forma não invasiva estruturas internas de objetos, detectar câmaras escondidas em sítios arqueológicos ou formações geológicas e identificar materiais ou substâncias escondidas em cargas ou contêineres, oferecendo soluções inovadoras para exploração, segurança e monitoramento ambiental.