Durante décadas, a surpreendente discrepância com uma minúscula partícula subatómica chamada múon alimentou a especulação de que os físicos podem estar prestes a descobrir uma nova força da natureza. Agora, uma equipa de investigação internacional liderada por um físico da Pensilvânia diz que o mistério parece estar resolvido e que a resposta confirma a física existente, e não a anula.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista Naturezaque descreve um dos cálculos de física de partículas mais precisos já realizados. O seu trabalho mostra que a discrepância há muito discutida entre a teoria e a experiência foi mais provavelmente causada por limitações em cálculos anteriores do que por evidências de física desconhecida.
Décadas de Esperança para a ‘Nova Física’
O quebra-cabeça centrava-se no múon, uma partícula de vida curta que se assemelha a um elétron, mas é cerca de 200 vezes mais pesada. Durante mais de 60 anos, as medições do comportamento magnético do múon não pareciam corresponder às previsões do Modelo Padrão, a estrutura que os cientistas usam para descrever as partículas e forças fundamentais do universo.
Esta discrepância excitou os físicos porque sugeria a possibilidade de partículas não descobertas ou mesmo de uma nova “quinta força” além das quatro forças fundamentais conhecidas.
“Muitos cálculos foram feitos nos últimos 60 anos e, à medida que se tornam cada vez mais precisos, todos apontam para uma discrepância e uma nova interação que irá alterar as leis conhecidas da física”, disse Zoltan Fodor, um distinto professor de física na Penn State e principal autor do estudo. “Aplicamos um novo método para calcular esse número de discrepâncias e mostramos que não existe. Aquela nova interação que esperávamos simplesmente não existe. Interações antigas podem explicar completamente o significado.”
A equipe passou mais de dez anos aperfeiçoando o cálculo. Seu resultado final trouxe previsões teóricas e medições experimentais de acordo com menos de meio desvio padrão. De acordo com Fodor, o novo trabalho confirma o Modelo Padrão com 11 casas decimais e reduz significativamente a possibilidade de que haja física desconhecida à espreita nesta dimensão específica.
“As pessoas me perguntam como me sinto ao fazer essa descoberta e, para ser sincero, sinto-me um pouco triste”, disse Fodor. “Quando começamos a calcular essa quantidade, pensamos que conseguiríamos um cálculo bom e confiável para a nova quinta força. Em vez disso, descobrimos que não existe uma quinta força. Encontramos uma prova muito precisa não apenas do Modelo Padrão, mas também da teoria quântica de campos, que é a base sobre a qual o Modelo Padrão foi construído.”
O estranho comportamento magnético do múon
A pesquisa se concentrou em uma propriedade conhecida como momento magnético do múon, que descreve a força com que a partícula atua como um minúsculo ímã. A teoria quântica prevê que o valor deve ser igual a dois, refletindo a relação entre as oscilações da partícula e o campo magnético que a rodeia.
Em experimentos reais, entretanto, o valor muda ligeiramente porque outras partículas aparecem e desaparecem brevemente no espaço vazio, influenciando sutilmente o comportamento do múon. Este pequeno desvio é conhecido como “momento magnético anômalo”, ou g−2.
Como os múons são muito mais pesados que os elétrons, eles são particularmente sensíveis a esses efeitos quânticos passageiros. Esta sensibilidade fez do múon g-2 uma das medidas mais estudadas na física moderna.
Experimentos conduzidos no CERN nas décadas de 1960 e 1970, mais tarde no Laboratório Nacional de Brookhaven e, mais recentemente, no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi, mediram o momento magnético do múon com extraordinária precisão. Estas experiências ganharam recentemente o Prize for a Breakthrough in Fundamental Physics, um dos mais prestigiados prémios científicos do mundo.
Ao longo dos anos, as medições experimentais continuaram a parecer inconsistentes com as previsões do Modelo Padrão, alimentando esperanças de que algo inteiramente novo pudesse estar a afectar o múon.
Por que a força forte tornou o problema tão difícil
O problema no cálculo do comportamento do múon resultou principalmente da força forte, a mais poderosa das quatro forças fundamentais conhecidas. A força forte liga quarks dentro de prótons, nêutrons e outras partículas.
Ao contrário da gravidade ou do eletromagnetismo, a força forte fica mais forte à medida que as partículas se afastam, como um elástico que se estica à medida que é esticado. Tentar separar partículas ligadas pela força forte requer tanta energia que partículas inteiramente novas podem ser formadas no processo. Essas partículas extras complicam ainda mais os cálculos.
Devido a esta extrema complexidade, prever com precisão o comportamento do múon dentro do Modelo Padrão continua sendo um dos problemas mais difíceis na física de partículas.
Supercomputadores e cromodinâmica quântica em rede
Para resolver esse problema, os pesquisadores confiaram na cromodinâmica quântica de redes, uma técnica computacional que simula a força forte usando enormes supercomputadores. O método divide o espaço e o tempo em uma grade muito fina, ou treliça, que permite aos cientistas resolver numericamente as equações que governam as interações das partículas.
“A metodologia antiga envolvia coletar milhares de resultados experimentais e reinterpretá-los para obter um único número, o momento magnético do múon”, disse Fodor. “Nossa abordagem foi completamente diferente. Dividimos o espaço-tempo em células muito pequenas, uma rede, e depois resolvemos as equações do modelo padrão. Havia muita teoria, matemática, programação, conhecimento computacional e arquitetura de computadores por trás desse cálculo.”
Os cálculos de rede tornaram-se cada vez mais poderosos na última década, mas a precisão necessária para calcular múons g-2 permaneceu excepcionalmente difícil de alcançar. Portanto, a equipe combinou várias abordagens.
Eles usaram cálculos de rede para distâncias curtas e médias entre células, ao mesmo tempo que incorporaram medições experimentais altamente confiáveis para longas distâncias onde os dados existentes já correspondiam. Esta estratégia híbrida reduziu a incerteza de forma mais eficaz do que utilizar qualquer um dos métodos isoladamente.
Os pesquisadores também modelaram as equações usando grades mais finas do que estudos anteriores, melhorando ainda mais a precisão e reduzindo possíveis erros.
O cálculo final representa a determinação mais precisa do momento magnético do múon. Quando incluídas na previsão completa do modelo padrão, as divergências de longa data com os experimentos desaparecem essencialmente.
“A previsão reúne as forças eletromagnéticas, fracas e fortes, cada uma das quais requer ferramentas teóricas muito diferentes, num único cálculo com precisão de partes por bilhão”, disse Fodor. “Isso mostra que realmente entendemos como a natureza funciona em um nível incrivelmente profundo”.
O que o resultado significa para a física
Segundo os pesquisadores, essas descobertas não excluem completamente a possibilidade de uma física ainda não descoberta. No entanto, uma das pistas potenciais mais fortes que apontam para além do modelo padrão é agora muito menos convincente.
Experimentos futuros ainda poderão revelar evidências de novas partículas ou forças em outros lugares, mas por enquanto o Modelo Padrão continua a resistir ao escrutínio.
“Não obtivemos a quinta força, mas obtivemos uma prova muito boa e provavelmente a melhor da teoria quântica que fundamenta toda a nossa compreensão das questões mais fundamentais da natureza”, disse Fodor.
A parte da pesquisa da Penn State foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Conselho Europeu de Pesquisa.
