Como a casa decimal pode redefinir a física

Os investigadores identificaram a origem das discrepâncias nas previsões recentes do momento magnético do múon. Suas descobertas poderiam contribuir para o estudo da matéria escura e outros aspectos da nova física.

Um momento magnético é uma propriedade intrínseca de uma partícula em rotação, decorrente da interação entre a partícula e um ímã ou outro objeto com um campo magnético. Assim como a massa e a carga elétrica, o momento magnético é uma das quantidades fundamentais da física. Há uma diferença entre o valor teórico do momento magnético do múon, partícula pertencente à mesma classe do elétron, e os valores obtidos em experimentos de alta energia realizados em aceleradores de partículas.

A diferença só aparece na oitava casa decimal, mas os cientistas estão interessados ​​nela desde a sua descoberta em 1948. Não é um detalhe: pode indicar se o múon está interagindo com partículas de matéria escura ou outros bósons de Higgs, ou mesmo se é desconhecido. . As tropas estão participando desta operação.

Inconsistências no momento magnético do múon

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. Porém, 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 surpreendente grau de precisão no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nos EUA 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 importante 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 alguns novos efeitos surpreendentes”, disse o físico Diogo Boito, professor da do Instituto de Física da Universidade de São Carlos, São Paulo (IFSC-USP) à FAPESP.

Um artigo sobre este tema de Boito e seus colaboradores foi 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 Madri, na Espanha, e depois, pelo meu colega Martin Goltermann, da Universidade Estadual de São Francisco, em uma reunião em Berna, na Suíça”, disse Boito.

Estes resultados identificam e indicam a origem da discrepância entre os dois métodos usados ​​para fazer previsões atuais para o múon g-2. “Atualmente existem dois métodos para determinar o componente fundamental de g-2. O primeiro é baseado em dados experimentais, e o segundo é em simulações computacionais de cromodinâmica quântica, ou QCD, a teoria que estuda interações fortes entre quarks. Esses dois métodos levam a resultados muito diferentes, o que é um grande problema.” Ele explicou que até que esse problema seja resolvido, não podemos investigar as contribuições de possíveis partículas exóticas, como novos bósons de Higgs ou matéria escura, por exemplo, em g-2.

O estudo explica com sucesso esta discrepância, mas para compreendê-la precisamos dar alguns passos atrás e começar de novo com uma descrição um pouco mais detalhada do múon.

Anel de armazenamento de múons no Fermilab. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

O múon é uma partícula pertencente à classe dos léptons, como é o caso do elétron, mas tem uma massa muito maior. Por esta razão, é instável e só sobrevive por muito pouco tempo num contexto de alta energia. Quando os múons interagem entre si na presença de um campo magnético, eles decaem e se recompõem como uma nuvem de outras partículas, como elétrons, pósitrons, bósons W e Z, bósons de Higgs e fótons. Portanto, em experimentos, os múons são sempre acompanhados por muitas outras partículas virtuais. Suas contribuições tornam o momento magnético real medido nos experimentos maior que o momento magnético teórico calculado pela equação de Dirac, que é igual a 2.

“Pela diferença [g-2]é necessário levar em conta todas essas contribuições – tanto as previstas pela QCD [in the Standard Model of particle physics] Outros são menores em tamanho, mas aparecem em medições experimentais de alta precisão. “Conhecemos bem muitas dessas contribuições, mas não todas”, disse Boito.

Os fortes efeitos de interação da QCD não podem ser calculados teoricamente sozinhos, pois são impraticáveis ​​em alguns sistemas de energia, portanto, existem duas possibilidades. Um já está em uso há algum tempo e envolve o recurso a dados experimentais obtidos a partir de colisões elétron-pósitron, que criam outras partículas compostas por quarks. O outro é o QCD em rede, que só se tornou competitivo na década atual e envolve a simulação do processo teórico em um supercomputador.

“O principal problema na previsão do múon g-2 no momento é que o resultado obtido usando dados de colisões elétron-pósitron não concorda com o resultado experimental geral, enquanto os resultados baseados na QCD da rede sim. Não era”, disse Boito. “Ninguém sabe ao certo porquê, e o nosso estudo explica parte deste puzzle.”

Ele e seus colegas conduziram suas pesquisas especificamente para resolver esse problema. “O artigo relata os resultados de uma série de estudos nos quais desenvolvemos um novo método para comparar os resultados de simulações de QCD em rede com resultados baseados em dados experimentais. “Mostramos que é possível extrair com grande precisão as contribuições de dados computados dados para a rede – contribuições dos chamados diagramas contínuos de Feynman”, disse ele.

O físico teórico americano Richard Feynman (1918-1988) ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1965 (junto com Julian Schwinger e Shinichiro Tomonaga) por seu trabalho fundamental em eletrodinâmica quântica e física de partículas elementares. Os diagramas de Feynman, criados em 1948, são representações gráficas de expressões matemáticas que descrevem a interação dessas partículas e são utilizados para simplificar os cálculos envolvidos.

“Neste estudo, obtivemos pela primeira vez as contribuições dos diagramas contínuos de Feynman na chamada 'janela de energia média' com grande precisão. Hoje temos oito resultados para essas contribuições, obtidos por simulações de QCD em rede, e são todos Além disso, mostramos que os resultados baseados nos dados de interação elétron-pósitron não concordam com esses oito resultados das simulações.

Isso permitiu aos pesquisadores identificar a origem do problema e pensar em possíveis soluções. “Ficou claro que se os dados experimentais do canal de dois píons fossem subestimados por algum motivo, esse poderia ser o motivo da discrepância”, disse ele. Pions são mésons, partículas compostas de quarks e antiquarks produzidos em colisões de alta energia.

Na verdade, novos dados (ainda sob revisão por pares) de Experiência CMD-3 Este estudo realizado na Universidade Estadual de Novosibirsk, na Rússia, parece mostrar que os dados mais antigos do canal binário podem ter sido subestimados por uma razão.

Referência: “Determinação baseada em dados do componente light-quark da contribuição média da janela para o múon g−2“Por Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman e Santiago Pires, 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: Precisão QCD e múon g-2”, para o qual a FAPESP lhe concedeu uma Bolsa Jovem Pesquisador Fase II.