Múon g-2: na direção de uma nova Física

   Em um artigo publicado em 7 de abril de 2021, foram anunciados os resultados do experimento chamado múon g-2, executado no laboratório estadunidense de física de partículas Fermilab. Aquele visava medir as propriedades magnéticas do múon¹, e tal experimento só foi possível graças à colaboração de mais de 200 cientistas de 35 instituições em 7 países [1-3]. O experimento, resumidamente, constitui-se de um anel com cerca de 15 metros de diâmetro, composto por ímãs que formam um campo magnético uniforme ao longo da circunferência. O principal objetivo do experimento era medir a razão giromagnética, denominada “g”, que é um valor adimensional e mensura a razão entre o momento de dipolo magnético e o momento angular de uma partícula, nesse caso o múon [1, 4]. 

   O valor previsto pela teoria quântica até 1935 era exatamente 2, porém uma medida muito precisa (em elétrons), realizada em 1948, resultou em 2,00238, contrariando a teoria significativamente. Pouco tempo depois desse resultado, foi desenvolvida a Eletrodinâmica Quântica (QED)², cuja previsão teórica casou com as medidas da época [1]. 

   A antes inesperada “intensidade extra” do dipolo magnético do múon vem da interação deste com partículas virtuais³, resultado de flutuações quânticas nos campos, em razão da intensidade do campo elétrico perto do múon [1]. Cada uma dessas interações é representada por um diagrama de Feynman⁴. A cada diagrama de Feynman considerado, o valor teórico muda [1, 4]. Mas se propriedades magnéticas e elétricas dos múons são as mesmas que as dos elétrons, por que não usar elétrons para medir g? Bem, devido à maior massa dos múons, eles interagem mais frequentemente com outras partículas. Dessa forma, o fator g medido na verdade é resultado não somente das propriedades do múon, mas da interação com a espuma quântica⁵ (cheque o glossário abaixo) em seu entorno [4, 5]. Para melhores análises, os pesquisadores usam a fração entre o valor medido devido apenas à nuvem de partículas virtuais e o valor previsto pela teoria quântica de 1935 (g=2), o que resulta na expressão “(g-2)/2”, daí o nome do experimento [1]. 

   Os esforços para medir o fator g de múons vêm sendo cada vez maiores. Resultados experimentais do Laboratório Nacional de Bookhaven, publicados em 2006, chegam no valor de g igual a 2,00233184160±0,00000000063, enquanto que a QED prevê 2,00233183608±0,00000000108 (é, o negócio é bem preciso) [1]. Resumindo, considerando os erros⁶ atrelados a cada valor, os mesmos não concordam bem. Os resultados mais recentes no laboratório Fermilab estão próximos dos resultados de Bookhaven, sendo que a precisão das medidas foi 4 vezes maior [1, 2, 4, 6]. A precisão do experimento é semelhante a medir um campo de futebol com uma incerteza menor que o tamanho de um fio de cabelo [3]. 

   No experimento, resumidamente, múons são acelerados e inseridos num loop de trajetória dentro do anel de ímãs. O que de fato é medido é a energia das partículas emitidas nos decaimentos dos múons. E como isso se relaciona ao fator g? Bem, semelhante a como um peão que está girando girando precessa⁷ quando está prestes a tombar, os múons também o fazem devido à interação com o campo magnético no qual estão imersos; esse fenômeno é conhecido como Precessão de Larmor. A frequência desta depende do fator g e dita a energia das partículas emitidas nos decaimentos (a maior parte são pósitrons), portanto, ao medir a energia destas mede-se indiretamente g [4]. 

   Basicamente, existem duas possibilidades a partir dos dois últimos resultados do g-2. A primeira é que as previsões teóricas estão erradas e/ou houve um erro experimental. A segunda, e mais animadora (e talvez um pouco assustadora), é que está sendo observado um fenômeno não previsto pela teoria atual, podendo ser a interação com novas partículas, forças e/ou campos ou algo completamente inesperado, o que seria mais uma evidência de que estamos muito longe de alcançar o “fim da Física” [1]. Apesar de que pode parecer que as evidências atuais sejam suficientes para dizer que foi feita uma nova descoberta, ainda é preciso obter dados mais precisos. Atualmente, existe uma chance de 1/40.000 (um quarenta mil avos) de que o resultado do laboratório Fermilab seja consequência de uma flutuação nas medidas, e o padrão para considerar um resultado definitivo é que a chance seja de 1/3.500.000 (um três milhões e meio avos) [4]. 

   Existem esforços também em se fazer mais previsões teóricas por métodos diferentes. Um deles é a técnica conhecida como lattice QCD. Usando essa técnica, pesquisadores calcularam o valor teórico de g e anunciaram os resultados em um artigo publicado na revista Nature, no mesmo dia de anúncio dos resultados de Fermilab. O valor calculado concorda mais com os resultados experimentais de Bookhaven e Fermilab do que com o valor teórico anterior. Entretanto, os autores não estão tão confiantes de que fizeram tudo da maneira correta; sendo assim, deve-se considerar esse resultado com um pé atrás [1]. 

   Existem planos para novas medidas com o experimento g-2, a fim de bater o martelo nessa questão tão decisiva para o futuro da Física como um todo. Se resultados futuros confirmarem uma descoberta, as possibilidades da “nova Física” são inimagináveis e certamente representará a próxima grande revolução científica. 

Autor: Bruno Henrique Lisenko Ribeiro

¹ Múon=Partícula fundamental de carga elétrica e spin iguais e uma massa 207 vezes maior em comparação ao elétron. Essa partícula é instável e seu tempo de vida médio é de aproximadamente 2,2 microssegundos [4]. 

² QED=Teoria na qual consideram-se campos que permeiam todo o espaço, e as vibrações nesse campo são as partículas que detectamos. É a teoria mais bem-sucedida da Ciência [6, 5]. 

³ Partículas virtuais=Pares partícula-antipartícula que surgem no vácuo devido a uma energia (no caso, do campo elétrico), as quais aniquilam-se rapidamente. 

⁴ Diagrama de Feynman=Diagrama que representa as interações/comportamento de uma ou mais partículas. 

⁵ Espuma Quântica=Termo usado para se referir à região repleta de partículas virtuais [5]. 

⁶ Neste caso, “erro” não significa que os pesquisadores necessariamente cometeram erros; interprete como margem de erro estatística, pois muitos dados foram analisados para a medida. 

⁷ Precessa=Variação do eixo de rotação do corpo; a “dança” do peão antes de tombar. 

 Referências: 

[1] Fermilab. What does the Muon g-2 experiment tell us?. YouTube, 26 de maio de 2021. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=eCCGr4BqElE>. 

[2] B. Abi, T. Albahri, S. Al-Kilani et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. PHYSICAL REVIEW LETTERS, n.126, p.141801, 2021.  

[3] Fermilab. Muon g-2 experiment finds strong evidence for new physics. YouTube, 7 de abril de 2021. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=ZjnK5exNhZ0>. 

[4] PBS Space Time. Why the Muon g-2 Results Are So Exciting!. YouTube, 7 de abril de 2021. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=O4Ko7NW2yQo>. 

[5] Fermilab. Quantum Foam. YouTube, 24 de outubro de 2014. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=nYDokJ2A_vU>. 

[6] Fermilab. The physics of g-2. YouTube, 4 de maio de 2016. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=UckuqHDB08I>.