O momento magnético do múon representa um enigma científico devido à ligeira diferença entre seus valores teóricos e experimentais, sugerindo interações com partículas ou forças desconhecidas. Pesquisas envolvendo simulações quânticas avançadas começaram a desvendar essas discrepâncias, oferecendo insights sobre as propriedades fundamentais dos múons e suas interações na física de partículas. Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores identificaram a origem das discrepâncias nas previsões recentes do momento magnético do múon. As suas descobertas poderão contribuir para a investigação da matéria escura e de outros aspectos da nova física.
O momento magnético é uma propriedade intrínseca de uma partícula com spin, decorrente da interação entre a partícula e um ímã ou outro objeto com campo magnético. Assim como a massa e a carga elétrica, o momento magnético é uma das magnitudes fundamentais da física. Há uma diferença entre o valor teórico do momento magnético de um múon, partícula que pertence à mesma classe do elétron, e os valores obtidos em experimentos de alta energia realizados em aceleradores de partículas.
A diferença aparece apenas na oitava casa decimal, mas os cientistas ficam intrigados com ela desde que foi descoberta, em 1948. Não é um detalhe: pode indicar se o múon interage com partículas de matéria escura ou outros bósons de Higgs, ou mesmo se é desconhecido. forças estão envolvidas no processo.
Discrepâncias no momento magnético de Muon
O valor teórico do momento magnético do múon, representado pela letra g, é dado pela equação de Dirac – formulada pelo físico inglês e ganhador do Prêmio Nobel de 1933 Paulo Dirac (1902-1984), um dos fundadores da mecânica quântica e da eletrodinâmica quântica – como 2. Entretanto, experimentos mostraram que g não é exatamente 2 e há muito interesse em entender “g-2”, ou seja, a diferença entre o valor experimental e o valor previsto pela equação de Dirac. O melhor valor experimental atualmente disponível, obtido com um impressionante grau de precisão no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nos Estados Unidos e anunciado em agosto de 2023, é 2,00116592059, com uma faixa de incerteza de mais ou menos 0,00000000022.
“A determinação precisa do momento magnético do múon tornou-se uma questão fundamental na física de partículas porque a investigação desta lacuna entre os dados experimentais e a previsão teórica pode fornecer informações que podem levar à descoberta de algum novo efeito espetacular”, disse o físico Diogo Boito, um professor do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), disse à Agência FAPESP.
Artigo sobre o tema de Boito e colaboradores é publicado na revista Cartas de revisão física.
Novos insights da pesquisa
“Nossos resultados foram apresentados em dois importantes eventos internacionais. Primeiro por mim durante um workshop em Madrid, Espanha, e mais tarde pelo meu colega Maarten Golterman, da Universidade Estatal de São Francisco, numa reunião em Berna, Suíça”, disse Boito.
Estes resultados quantificam e apontam para a origem de uma discrepância entre os dois métodos usados para fazer previsões atuais do múon g-2. “Atualmente existem dois métodos para determinar um componente fundamental do g-2. O primeiro é baseado em dados experimentais, e o segundo em simulações computacionais de cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que estuda fortes interações entre quarks. Esses dois métodos produzem resultados bastante diferentes, o que é um grande problema. Até que seja resolvido, não podemos investigar as contribuições de possíveis partículas exóticas, como novos bósons de Higgs ou matéria escura, por exemplo, para g-2”, explicou.
O estudo conseguiu explicar a discrepância, mas para compreendê-la precisamos dar alguns passos atrás e começar de novo com uma descrição um pouco mais detalhada do múon.
O anel de armazenamento de múons no Fermilab. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab
O múon é uma partícula que pertence à classe dos léptons, assim como o elétron, mas tem uma massa muito maior. Por esta razão, é instável e sobrevive apenas por um período muito curto num contexto de alta energia. Quando os múons interagem entre si na presença de um campo magnético, eles decaem e se reagrupam como uma nuvem de outras partículas, como elétrons, pósitrons, bósons W e Z, bósons de Higgs e fótons. Nas experiências, os múons são, portanto, sempre acompanhados por muitas outras partículas virtuais. Suas contribuições tornam o momento magnético real medido em experimentos maior que o momento magnético teórico calculado pela equação de Dirac, que é igual a 2.
“Para obter a diferença (g-2), é necessário considerar todas essas contribuições – tanto as previstas pela QCD (no Modelo Padrão da física de partículas) e outros que são menores, mas aparecem em medições experimentais de alta precisão. Conhecemos muito bem várias dessas contribuições – mas não todas”, disse Boito.
Os efeitos da interação forte da QCD não podem ser calculados teoricamente sozinhos, pois em alguns regimes energéticos eles são impraticáveis, portanto há duas possibilidades. Uma já é utilizada há algum tempo e envolve o recurso a dados experimentais obtidos a partir de colisões electrão-pósitron, que criam outras partículas constituídas por quarks. O outro é o QCD em rede, que se tornou competitivo apenas na década atual e envolve a simulação do processo teórico em um supercomputador.
“O principal problema com a previsão do múon g-2 neste momento é que o resultado obtido usando dados de colisões elétron-pósitron não concorda com o resultado experimental total, enquanto os resultados baseados na QCD da rede sim. Ninguém sabia ao certo porquê, e o nosso estudo esclarece parte deste puzzle”, disse Boito.
Ele e seus colegas conduziram suas pesquisas exatamente para resolver esse problema. “O artigo relata as descobertas de uma série de estudos nos quais desenvolvemos um novo método para comparar os resultados de simulações de QCD em rede com os resultados baseados em dados experimentais. Mostramos que é possível extrair das contribuições de dados calculadas na rede com grande precisão – as contribuições dos chamados diagramas de Feynman conectados”, disse ele.
O físico teórico americano Richard Feynman (1918-1988) ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1965 (com Julian Schwinger e Shin’ichiro Tomonaga) por trabalhos fundamentais em eletrodinâmica quântica e física de partículas elementares. Os diagramas de Feynman, criados em 1948, são representações gráficas das expressões matemáticas que descrevem a interação de tais partículas e são utilizados para simplificar os respectivos cálculos.
“No estudo, obtivemos pela primeira vez as contribuições dos diagramas de Feynman conectados na chamada ‘janela de energia intermediária’ com grande precisão. Hoje temos oito resultados para essas contribuições, obtidos por meio de simulações de QCD em rede, e todos eles concordam de forma significativa. Além disso, mostramos que os resultados baseados em dados de interação elétron-pósitron não concordam com esses oito resultados de simulações”, disse Boito.
Isso permitiu aos pesquisadores localizar a origem do problema e pensar em possíveis soluções. “Ficou claro que se os dados experimentais do canal de dois píons forem subestimados por algum motivo, esta poderia ser a causa da discrepância”, disse ele. Os píons são mésons – partículas compostas por um quark e um antiquark produzidos em colisões de alta energia.
Na verdade, novos dados (ainda em fase de revisão por pares) do Experimento CMD-3 conduzido na Universidade Estadual de Novosibirsk, na Rússia, parece mostrar que os dados mais antigos do canal de dois píons podem ter sido subestimados por algum motivo.
Referência: “Determinação baseada em dados do componente conectado Light-Quark da contribuição da janela intermediária para o múon g−2”por Genessa Benton, Diogo Boito, Maarten Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman e Santiago Peris, 21 de dezembro de 2023, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.251803
A participação de Boito no estudo fez parte do projeto “Testando o modelo padrão: QCD de precisão e múon g-2”, pelo qual a FAPESP lhe concedeu uma Bolsa Jovem Pesquisador Fase 2.
