Múons | Aumenta a chance de quinta força fundamental ser descoberta

Experimento com múons aumenta a certeza de um comportamento não previsto no Modelo Padrão de partículas.

Isso pode indicar nova força fundamental à espreita

Após dois anos de experimentos, os físicos da colaboração internacional Muon g-2 anunciaram novos resultados sobre uma anomalia nas interações de múons com campos magnéticos. A pesquisa pode revelar uma nova física não prevista pelos modelos atuais e nos levar à descoberta de uma quinta força fundamental da natureza.

Em 2021, a equipe internacional publicou um artigo sobre os experimentos realizados no Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia (Fermilab), revelando as medições mais precisas já obtidas sobre a anomalia dos múons. Entretanto, ainda havia margem de incerteza naqueles resultados.

Agora, o Fermi anunciou o primeiro resultado dos experimentos realizados nos últimos 20 anos e diminuiu a incerteza em um fator de 2, reforçando uma inconsistência entre a teoria do Modelo Padrão de partículas e as observações experimentais. Em última análise, isso pode representar as primeiras evidências de uma nova força fundamental.

O que é múon?
Múons são partículas elementares, ou seja, não possuem nenhuma sub-estrutura e, portanto, não são formadaos por partículas ainda menores. Semelhante ao elétron, possui carga elétrica -1 e um spin de 1⁄2, mas apresenta massa 200 vezes maior.

Para entender melhor, façamos uma comparação metafórica: assim como os elétrons, os múons se comportam como se fossem um minúsculo ímã. Na presença de um campo magnético forte, a direção desse "ímã" oscila, ou melhor, sofre precessão — assim como a Terra ao girar em um eixo inclinado, por exemplo. A força dessa interação determina a velocidade de precessão do múon, que por sua vez é descrita por um número chamado "fator g".

Gráfico com algumas características e curiosidades do Múon (Imagem: Reprodução/Diana Brandonisio/Fermilab)
Foto: Canaltech

De acordo com o Modelo Padrão de partículas, o melhor e mais bem sucedido modelo para explicar a física quântica e suas implicações em todo o universo, o fator g seria de 2,00233183620 e momento magnético anômalo, de 0,00116591810.

Porém, os experimentos no Fermi estão encontrando outros valores, sugerindo que múon também está sendo influenciado por algo que não está no Modelo Padrão. Se isso for definitivamente comprovado, o modelo terá que ser revisto para explicar esse comportamento, trazendo novas previsões e, talvez, partículas inéditas.

Novos resultados no Fermi
Nas instalações do Fermi, os múons são colocados em um acelerador de partículas para interagir com uma "espuma" formada por todas as partículas conhecidas do Modelo Padrão. Conforme essas interações acontecem, o fator g (a taxa de precessão dos múons influenciada por um campo magnético) é alterado.

Essa alteração deveria apresentar os valores previstos pela teoria, mas os cientistas estão encontrando outros números há pelo menos 20 anos. Como não se deve tirar nenhuma conclusão concreta até que um certo grau de certeza seja atingido, os cientistas buscam refinar os experimentos cada vez mais para obter resultados absolutamente precisos.

Foto: Ryan Postel/Fermilab / Canaltech

O novo resultado anunciado pela colaboração é g-2 = 0,00233184110, com 0,00000000043 de incerteza estatística e 0,00000000019 de incerteza sistemática. Para Peter Winter, co-porta-voz da colaboração Muon g-2, "diminuir a incerteza sistemática a este nível é de grande importância e é algo que não esperávamos alcançar tão cedo".

Agora, a colaboração vai trabalhar em uma nova análise para incorporar todos os seis anos de dados em um cálculo que deve diminuir a incerteza em outro fator de dois. A equipe prevê o lançamento dessa medição final em 2025.

Os recentes foram divulgados em um seminário científico em 10 de agosto de 2023.