Apesar de seu tremendo sucesso em prever a existência de novas partículas e forças, o modelo padrão da física de partículas , projetado há mais de 50 anos para explicar os menores blocos de construção da natureza, não é a "teoria de tudo" completa que os físicos esperavam. .

A teoria tem vários problemas. Não descreve a gravidade nem os componentes desconhecidos que compõem a maior parte da densidade de energia no universo: matéria escura e energia escura. Os físicos de partículas estão, portanto, em uma caça ao tesouro em busca de qualquer possível desvio do comportamento "esperado" que possa sugerir uma nova física.

Agora, nossa grande equipe internacional de físicos trabalhando no experimento Muon g-2 no Fermilab nos EUA, fez uma medição de como uma certa partícula fundamental oscila que pode ter impactos maciços no status do modelo padrão .

Nosso resultado, que ainda não foi revisado por pares, mas foi submetido à Physical Review Letters , confirma os resultados de 2021 e lança luz sobre um enorme quebra-cabeça na física teórica – para o qual uma solução possível poderia ser novas partículas ou forças influenciando a medição.

Um bloco de construção fundamental no modelo padrão é o múon , uma partícula semelhante a um elétron, mas 200 vezes mais massiva. O múon tem uma longa história de revolução na física de partículas – até mesmo sua descoberta foi um choque .

Nosso experimento estuda como essas partículas interagem com um campo magnético de 1,45 Tesla. Isso faz com que os múons oscilem como piões, com a taxa de oscilação proporcional à força do campo.

O experimento produz e armazena bilhões de múons em um ímã circular de 14 metros de diâmetro chamado anel de armazenamento. Eventualmente, os múons decaem para elétrons, que são contados por detectores no interior do anel.

Outra peculiaridade da natureza significa que o número de elétrons detectados varia proporcionalmente à taxa da oscilação. Portanto, contar elétrons nos diz a taxa de oscilação dos múons. E quanto mais elétrons você contar, mais precisa será a medição.

A interação entre a oscilação do múon e o campo é quantificada por uma constante adimensional chamada "g", a razão giromagnética. O físico Paul Dirac previu que seu valor seria g = 2. Mas de acordo com a mecânica quântica , a teoria que rege o mundo subatômico em que o modelo padrão se baseia é que o espaço vazio é preenchido com partículas "virtuais", que aparecem por um momento fugaz. e depois desaparecer novamente por aniquilação.

Essas partículas afetam a interação do múon com o campo magnético, aumentando g para pouco mais de 2. É por isso que o experimento, que estuda essa diferença, é chamado de "g-2". Quaisquer peças faltantes no modelo padrão modificariam a taxa em um valor ligeiramente maior ou menor do que o previsto, tornando-o uma poderosa ferramenta de pesquisa para novas físicas.

Uma medição no Brookhaven National Laboratory, nos Estados Unidos, causou sensação em 2004 , depois de descobrir que a oscilação era um pouco mais rápida do que o esperado, sugerindo potencialmente algo novo. O valor foi medido novamente no Fermilab em abril de 2021, confirmando a medição original e aumentando o tamanho da lacuna entre o experimento e a teoria.

Agora, nosso novo resultado do Fermilab, usando dados coletados em 2019 e 2020, examina quatro vezes mais múons do que o resultado de 2021, reduzindo a incerteza total em um fator de dois. Isso torna a medição a determinação mais precisa da oscilação do múon já feita.

Na prática, o experimento é muito mais desafiador do que simplesmente contar múons. Embora a incerteza estatística tenha sido reduzida, outras melhorias foram necessárias para tornar a medição ainda mais precisa. A direção do campo magnético determina o eixo da oscilação, portanto, manter as flutuações de temperatura do ímã sob controle era crucial.

As diferenças de temperatura também fazem com que as peças do ímã se expandam e se contraiam, o que altera ligeiramente o campo magnético. Em nosso nível de precisão, mesmo uma alteração de um milésimo de milímetro poderia ter um efeito enorme na oscilação. Para isso, foi instalado um revestimento térmico ao redor do ringue e um sistema de refrigeração na sala experimental.

Outro desafio é o fato de que os múons no anel não querem ficar em uma órbita perfeitamente circular – ao contrário, eles gostam de nadar e explorar todas as regiões do anel. Portanto, atualizamos os sistemas de alta tensão que empurram o feixe para o lugar certo.

Convencionalmente, os físicos de partículas estimam quão bem dois resultados (por exemplo, um teórico e um experimental) concordam usando uma medida estatística chamada sigma. Isso pode estimar as chances de qualquer diferença ser um acaso estatístico. No entanto, isso não faz sentido desta vez, porque está ficando cada vez mais incerto com qual previsão de modelo padrão devemos comparar o resultado.

Uma colaboração de teóricos, chamada Muon g-2 Theory Initiative , calculou seu valor em 2020. Foi o que foi usado em 2021, dando um sigma de 4,2, o que sugeria que a chance de o resultado ter sido um acaso era de uma em 40.000. Mas, desde então, houve desenvolvimentos que renderam novas previsões: uma de uma nova abordagem de outro grupo de teóricos .

Também houve uma medição experimental atualizada da colaboração CMD-3 na Rússia que alimentará qualquer novo cálculo. Isso pode modificar o valor de 2020, potencialmente aproximando-os do modelo padrão.

É evidente que existem enormes desafios em ambos os lados da história, onde a teoria nem sequer concorda com a teoria. Nossa colaboração agora está trabalhando em direção ao nosso resultado experimental final, esperado para 2025, usando todo o conjunto de dados – mais do que o dobro de dados. Mas até que a controvérsia da teoria seja resolvida, haverá uma nuvem de dúvida pairando sobre qualquer interpretação da discrepância.

Existem dois resultados possíveis. A teoria e o experimento podem eventualmente não concordar, significando que novas partículas ou forças da natureza estiveram escondidas aqui o tempo todo. Isso pode significar que o modelo padrão acaba falhando - precisando de uma atualização. Ou as previsões atualizadas fecham a lacuna, o que seria um grande impulso para o modelo padrão .

De qualquer forma, nossa medição ultraprecisa prepara o palco para o confronto final.