Fermilab fecha o caso do muão: o Muon g-2 confirma o Modelo Padrão

Os físicos do Fermilab conseguiram a medição mais precisa de sempre de um valor há muito tempo debatido: o “abanão” magnético de uma partícula elementar chamada muão.

A notícia é, em certa medida, desanimadora para quem esperava surpresas - o resultado está em forte concordância com o Modelo Padrão, pelo que é pouco provável que aqui se esconda alguma física exótica, como alguns desejavam.

O que o Muon g-2 mediu no Fermilab

O muão é parecido com o eletrão, mas é cerca de 207 vezes mais massivo. Em teoria, a forma como os muões se comportam num campo magnético deveria ser altamente previsível, algo que se resume na chamada razão giromagnética, ou g.

Num cenário simples, g deveria ser um 2 certinho - mas a realidade não facilita. O “bailado” magnético do muão é ligeiramente anómalo e, tal como o pi é um pouco superior a 3, o fator g do muão parecia ser muito ligeiramente superior a 2.

Quão ligeiramente? 0.001165920705, de acordo com os novos resultados da experiência Muon g-2 do Fermilab. Esta medição junta dados recolhidos ao longo de seis anos de testes com aceleradores de partículas.

A equipa afirma que o valor final é exacto dentro de 127 partes por mil milhões. Para dar uma ideia desta precisão, os investigadores dizem que, se medíssemos a largura dos Estados Unidos com este nível de detalhe, seria possível perceber se faltava um único grão de areia.

A parte realmente apelativa deste tema estava no espaço que uma anomalia deixaria para novas forças ou partículas capazes de explicar esse movimento magnético invulgar.

Porque o g–2 do muão é um teste ao Modelo Padrão

Um projecto relacionado, chamado Muon g-2 Theory Initiative, procurou verificar o que o Modelo Padrão prevê para este valor. Usando um conjunto de dados mais amplo do que nunca, o cálculo mais recente aponta para 0.00116592033. Isto coloca-o extraordinariamente perto do valor obtido por via experimental, restando muito pouca margem de manobra para que alguma física exótica esteja a interferir.

“O momento magnético anómalo, ou g–2, do muão é importante porque fornece um teste sensível do Modelo Padrão da física de partículas”, afirma Regina Rameika, física experimental do Gabinete de Física de Altas Energias do Departamento de Energia dos EUA.

“Este é um resultado entusiasmante e é óptimo ver uma experiência chegar a um fim definitivo com uma medição de precisão.”

Quando um muão roda dentro de um campo magnético, seria de esperar que os seus polos se alinhassem, na prática, com o campo. Verificou-se que não é bem assim - em vez disso, há uma oscilação muito pequena, como um pião a girar ligeiramente desequilibrado. E, se essa oscilação fosse particularmente grande, poderia significar que o muão está a ser “empurrado” por partículas invisíveis e desconhecidas.

Flutuações quânticas, partículas virtuais e as hipóteses de nova física

O vácuo nunca está verdadeiramente vazio: devido a flutuações quânticas, pares de partículas virtuais aparecem e desaparecem constantemente. Estas intrusões fugazes podem afectar, de várias formas, as partículas que se encontram nas proximidades.

Por ser relativamente pesado, o muão é especialmente sensível à influência dessas partículas virtuais. Assim, ao medir com grande precisão quanto é que o muão oscila para lá do intervalo esperado, os físicos podem inferir propriedades dessas partículas virtuais misteriosas, potencialmente abrindo caminho a uma física para lá do Modelo Padrão. Entre as explicações hipotéticas contavam-se fotões escuros ou a supersimetria.

O fator g do muão tem sido, há décadas, uma pedra no sapato dos físicos. Indícios de que algo não batia certo surgiram em 2001, quando a primeira versão da experiência Muon g-2 mostrou uma discrepância grande entre teoria e observação.

Nos anos seguintes, novas medições foram aumentando a precisão, ao mesmo tempo que também melhoraram os métodos para calcular as previsões do Modelo Padrão. Ainda assim, a discrepância persistiu.

A versão actual da experiência Muon g-2 foi activada em 2018 e realizou uma nova ronda de testes em cada ano até 2023. Os dados das três primeiras rondas foram divulgados em dois lotes e, em ambos os casos, pareciam apontar cada vez mais para a existência de nova física.

A medição agora apresentada integra dados das seis rondas completas, mais do que triplicando o conjunto usado na divulgação anterior. Além de mais dados, a qualidade também aumentou, graças a melhorias introduzidas no equipamento.

Infelizmente para quem queria acrescentar mais alguns capítulos aos manuais de física, neste caso tudo indica que está conforme o esperado. Isso não significa que já saibamos tudo - a matéria escura e até a gravidade ainda não encaixam no Modelo Padrão, pelo que continuam a existir muitas lacunas por preencher.

A investigação foi submetida à revista Physical Review Letters e está disponível no servidor de pré-publicações arXiv.