Durante décadas, diferenças intrigantes envolvendo minúsculas partículas subatómicas chamadas múons alimentaram a especulação de que os físicos poderiam estar prestes a descobrir uma força da natureza inteiramente nova. Agora, uma equipa internacional de investigadores liderada por físicos da Penn State afirma que o mistério parece ter sido resolvido e que a resposta apoia a física existente, em vez de a derrubar.
Os pesquisadores publicaram suas descobertas na revista naturezadescrevendo um dos cálculos de física de partículas mais precisos já realizados. O seu trabalho sugere que a incompatibilidade há muito debatida entre teoria e experiência é provavelmente causada por limitações dos cálculos iniciais, e não por evidências de física desconhecida.
Décadas de esperança para uma “nova física”
O mistério centra-se nos múons, partículas de vida curta que são semelhantes aos elétrons, mas pesam cerca de 200 vezes mais. Por mais de 60 anos, as medições do comportamento magnético do múon pareciam estar em desacordo com as previsões do Modelo Padrão, a estrutura que os cientistas usam para descrever as partículas e forças fundamentais do universo.
Esta diferença entusiasma os físicos porque sugere a possibilidade de partículas ainda a serem descobertas, ou mesmo de uma nova “quinta força”, além das quatro forças fundamentais conhecidas.
“Muitos cálculos foram feitos ao longo dos últimos 60 anos e, à medida que se tornaram cada vez mais precisos, todos apontaram para uma diferença e uma nova interação que subverteriam as leis conhecidas da física”, disse Zoltan Fodor, distinto professor de física na Penn State e principal autor do estudo. “Aplicamos um novo método para calcular essa diferença e uma nova interação que subverteria as leis conhecidas da física”. “Aplicamos um novo método para calcular o valor dessa diferença e o resultado foi que ela simplesmente não existe”.
A equipe passou mais de uma década aperfeiçoando os cálculos. Seus resultados finais trouxeram previsões teóricas e medições experimentais de acordo em menos de meio desvio padrão. Fodor disse que o novo trabalho confirma o Modelo Padrão com 11 casas decimais e reduz significativamente a possibilidade de que a física desconhecida esteja escondida nesta medição específica.
“As pessoas me perguntam como me sinto ao fazer essa descoberta e, para ser sincero, sinto-me um pouco triste”, disse Fodor. “Quando começámos a calcular esta quantidade, pensámos que teríamos um cálculo bom e fiável da nova quinta força. Em vez disso, descobrimos que não existe uma quinta força. Encontrámos uma prova muito precisa, não só do Modelo Padrão, mas também da teoria quântica de campos, que é a base sobre a qual o Modelo Padrão é construído.”
O estranho comportamento magnético dos múons
O estudo centrou-se nas propriedades do momento magnético do múon, que descreve a força com que a partícula age como um minúsculo íman. A teoria quântica prevê que esse valor deveria ser exatamente dois, representando a oscilação de uma partícula em relação ao campo magnético ao seu redor.
Em experiências reais, contudo, este valor muda ligeiramente, à medida que outras partículas aparecem e desaparecem brevemente no vácuo, afectando subtilmente o comportamento do múão. Este pequeno desvio é chamado de “momento magnético anormal” ou g-2.
Como os múons são muito mais pesados que os elétrons, eles são particularmente sensíveis a esses efeitos quânticos de curta duração. Esta sensibilidade faz do múon g−2 uma das medidas mais intensamente estudadas na física moderna.
Experimentos conduzidos nas décadas de 1960 e 1970 no CERN, mais tarde no Laboratório Nacional de Brookhaven e, mais recentemente, no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi mediram o momento magnético do múon com precisão extremamente alta. Os experimentos ganharam recentemente o Prêmio Breakthrough em Física Fundamental, um dos prêmios científicos mais prestigiados do mundo.
Durante anos, as medições experimentais permaneceram inconsistentes com as previsões do Modelo Padrão, aumentando a esperança de que algo inteiramente novo pudesse estar a afectar os múons.
Por que forças poderosas tornam os problemas tão difíceis
O desafio no cálculo do comportamento do múon vem principalmente da força forte, a mais poderosa das quatro forças fundamentais conhecidas. A força forte mantém unidos os quarks dentro dos prótons, nêutrons e outras partículas.
Ao contrário da gravidade ou do eletromagnetismo, a força forte torna-se mais forte à medida que a partícula se afasta, semelhante a como um elástico fica mais apertado quanto mais tempo é puxado. Tentar separar partículas conectadas pela força forte requer tanta energia que partículas inteiramente novas são formadas no processo. Essas partículas extras tornam o cálculo mais complexo.
Devido a esta extrema complexidade, prever com precisão o comportamento do múon no 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 rede, uma técnica de computação que usa supercomputadores gigantes para simular a força forte. Este método divide o espaço e o tempo em grades extremamente finas, ou redes, permitindo aos cientistas resolver numericamente as equações que governam as interações das partículas.
“A abordagem antiga envolvia a recolha de milhares de resultados experimentais e a sua reinterpretação para obter um único número, o momento magnético do múon”, disse Fodor. “Nossa abordagem é completamente diferente. Dividimos o espaço-tempo em unidades muito pequenas, uma rede, e depois resolvemos as equações do Modelo Padrão. Há uma enorme quantidade de teoria, matemática, programação, conhecimento computacional e arquitetura de computadores por trás deste cálculo.”
Os cálculos de rede tornaram-se cada vez mais poderosos na última década, mas a precisão necessária para os cálculos do múon g-2 permanece extremamente evasiva. Então a equipe combinou várias abordagens.
Eles usaram cálculos de rede para calcular distâncias curtas e intermediárias entre as células, combinando-os com medições experimentais altamente confiáveis para medir distâncias maiores, para as quais os dados existentes já concordam fortemente. Esta estratégia híbrida reduz a incerteza de forma mais eficaz do que depender apenas de qualquer abordagem.
Os pesquisadores também modelaram as equações usando uma rede mais fina do que em estudos anteriores, melhorando ainda mais a precisão e reduzindo possíveis erros.
O cálculo final representa a determinação mais precisa do momento magnético do múon até o momento. Quando as previsões completas do Modelo Padrão são incluídas, as divergências de longa data com os experimentos desaparecem em grande parte.
“Esta previsão reúne as forças eletromagnéticas, fracas e fortes, cada uma das quais requer ferramentas teóricas muito diferentes, e um único cálculo com precisão de uma parte por bilhão”, disse Fodor. “Isso mostra que temos uma compreensão muito profunda de como a natureza realmente funciona.”
O que os resultados significam para a física
Os pesquisadores dizem que as descobertas não descartam completamente a possibilidade de que a física ainda não tenha sido descoberta. No entanto, uma das pistas potenciais mais fortes para algo além do Modelo Padrão tornou-se agora menos convincente.
Experimentos futuros ainda poderão encontrar evidências de novas partículas ou forças em outros lugares, mas, por enquanto, o Modelo Padrão continua a resistir a um escrutínio intenso.
“Não obtivemos uma quinta força, mas obtivemos uma demonstração muito boa e provavelmente a melhor da teoria quântica, que é fundamental para a nossa compreensão das questões mais fundamentais da natureza”, disse Fodor.
A pesquisa da Penn State é apoiada em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Conselho Europeu de Pesquisa.
