Os esperados primeiros resultados do experimento Muon g-2 no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA mostram partículas fundamentais chamadas múons se comportando de uma maneira que não é prevista pela melhor teoria dos cientistas, o Modelo Padrão da física de partículas. Este resultado marcante , feito com precisão sem precedentes, confirma uma discrepância que tem corroído os pesquisadores por décadas.
A forte evidência de que os múons se desviam do cálculo do Modelo Padrão pode sugerir uma nova física empolgante. Os múons atuam como uma janela para o mundo subatômico e podem estar interagindo com partículas ou forças ainda não descobertas.
“Hoje é um dia extraordinário, há muito esperado não apenas por nós, mas por toda a comunidade física internacional”, disse Graziano Venanzoni, co-porta-voz do experimento Muon g-2 e físico do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear. “Grande parte do crédito vai para os nossos jovens investigadores que, com o seu talento, ideias e entusiasmo, nos permitiram alcançar este resultado incrível”.
Um múon tem cerca de 200 vezes a massa de seu primo, o elétron. Os múons ocorrem naturalmente quando os raios cósmicos atingem a atmosfera da Terra, e os aceleradores de partículas do Fermilab podem produzi-los em grande número. Como os elétrons, os múons agem como se tivessem um minúsculo ímã interno. Em um campo magnético forte, a direção do ímã do múon sofre precessão, ou oscilação, como o eixo de um pião ou giroscópio. A força do ímã interno determina a taxa de precessão do múon em um campo magnético externo e é descrita por um número que os físicos chamam de fator g. Este número pode ser calculado com altíssima precisão.
Conforme os múons circulam no ímã Muon g-2, eles também interagem com uma espuma quântica de partículas subatômicas surgindo e desaparecendo. As interações com essas partículas de vida curta afetam o valor do fator g, fazendo com que a precessão dos múons se acelere ou desacelere ligeiramente. O modelo padrão prevê esse chamado momento magnético anômalo com extrema precisão. Mas se a espuma quântica contiver forças adicionais ou partículas não contabilizadas pelo Modelo Padrão, isso ajustaria ainda mais o fator g do múon.
“Essa quantidade que medimos reflete as interações do múon com tudo o mais no universo. Mas quando os teóricos calculam a mesma quantidade, usando todas as forças e partículas conhecidas no Modelo Padrão, não obtemos a mesma resposta ”, disse Renee Fatemi, física da Universidade de Kentucky e gerente de simulações do Muon g-2 experimento. “Esta é uma forte evidência de que o múon é sensível a algo que não está em nossa melhor teoria”.
O experimento predecessor no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE, concluído em 2001, ofereceu dicas de que o comportamento do múon discordava do Modelo Padrão. A nova medição do experimento Muon g-2 no Fermilab concorda fortemente com o valor encontrado em Brookhaven e diverge da teoria com a medição mais precisa até o momento.
Os resultados combinados do Fermilab e Brookhaven mostram uma diferença com a teoria em uma significância de 4,2 sigma, um pouco tímido dos 5 sigma (ou desvios-padrão) que os cientistas exigem para reivindicar uma descoberta, mas ainda assim evidências convincentes de nova física. A chance de que os resultados sejam uma flutuação estatística é de cerca de 1 em 40.000.
O experimento do Fermilab reutiliza o componente principal do experimento de Brookhaven, um anel de armazenamento magnético supercondutor de 15 metros de diâmetro. Em 2013, ele foi transportado por 3.200 milhas por terra e mar de Long Island até os subúrbios de Chicago, onde os cientistas puderam aproveitar o acelerador de partículas do Fermilab e produzir o feixe de múons mais intenso dos Estados Unidos. Nos quatro anos seguintes, os pesquisadores montaram o experimento; sintonizou e calibrou um campo magnético incrivelmente uniforme ; desenvolveu novas técnicas, instrumentação e simulações; e testei exaustivamente todo o sistema.
O experimento Muon g-2 envia um feixe de múons para o anel de armazenamento, onde circulam milhares de vezes quase à velocidade da luz. Os detectores que revestem o anel permitem que os cientistas determinem a velocidade com que os múons estão precessando.
Em seu primeiro ano de operação, em 2018, o experimento do Fermilab coletou mais dados do que todos os experimentos anteriores do fator g do múon combinados. Com mais de 200 cientistas de 35 instituições em sete países, a colaboração do Muon g-2 concluiu agora a análise do movimento de mais de 8 bilhões de múons daquela primeira corrida.
“Após os 20 anos que se passaram desde o término do experimento de Brookhaven, é muito gratificante finalmente estar resolvendo este mistério”, disse o cientista do Fermilab Chris Polly, que é co-porta-voz do experimento atual e foi um estudante graduado líder no Experiência de Brookhaven.
A análise de dados na segunda e terceira execuções do experimento está em andamento, a quarta execução está em andamento e uma quinta execução está planejada. Combinar os resultados de todas as cinco corridas dará aos cientistas uma medição ainda mais precisa da oscilação do múon, revelando com maior certeza se a nova física está se escondendo dentro da espuma quântica.
“Até agora, analisamos menos de 6% dos dados que o experimento eventualmente coletará. Embora esses primeiros resultados nos digam que há uma diferença intrigante com o Modelo Padrão, aprenderemos muito mais nos próximos anos ”, disse Polly.
Uma coletiva de imprensa discutindo os primeiros resultados do experimento Muon g-2 será realizada ao meio-dia, horário central dos EUA, em 7 de abril. Os repórteres devem entrar em contato com media@fnal.gov para obter informações de conexão. Mais imagens do experimento Muon g-2 estão disponíveis na galeria Muon g-2 . Mais informações sobre o experimento estão disponíveis no site do Muon g-2 .
Mais maneiras de se envolver: faça um tour virtual 360 do experimento Muon g-2 ou assista a um tour em vídeo guiado . Veja a lista de reprodução completa de vídeos do Muon g-2 . Inscreva-se para uma palestra pública virtual gratuita no dia 17 de abril que explicará os novos resultados do Muon g-2. Imprima seu próprio pôster “ Marvelous Muon ”.
O experimento Muon g-2 é apoiado pelo Departamento de Energia (EUA); Fundação Nacional de Ciência (EUA); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Itália); Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (Reino Unido); Royal Society (Reino Unido); Horizonte 2020 da União Europeia; Fundação Nacional de Ciências Naturais da China; MSIP, NRF e IBS-R017-D1 (República da Coréia); e Fundação Alemã de Pesquisa (DFG).
O Fermilab é o principal laboratório nacional da América para pesquisa em física de partículas. Laboratório de ciências do Departamento de Energia dos Estados Unidos, o Fermilab está localizado perto de Chicago, Illinois, e é operado sob contrato pela Fermi Research Alliance LLC. Visite o site do Fermilab em https://www.fnal.gov e siga-nos no Twitter @Fermilab .
O DOE Office of Science é o maior patrocinador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo. Para obter mais informações, visite https://science.energy.gov .
Contato de mídia
- Tracy Marc, Fermilab, media@fnal.gov , 224-290-7803
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