Muons: as partículas subatômicas sacudindo o mundo da física

2021-07-01
Montagem do detector Compact Muon Solenoid (CMS) em um túnel do Large Hadron Collider (LHC) da Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN), em Cessy, França. Nove anos após a histórica descoberta do bóson de Higgs, o maior acelerador de partículas do mundo tenta encontrar novas partículas que explicariam, entre outras coisas, a matéria escura, um dos grandes enigmas do universo. VALENTIN FLAURAUD / Getty Images

O que é cerca de 200 vezes a massa de um elétron, existe por cerca de 2 milionésimos de segundo, atinge continuamente cada centímetro da superfície da Terra e parece se comportar de uma maneira que abre um buraco nas leis da física há muito aceitas ?

Esse seria o múon, uma partícula descoberta pela primeira vez no final da década de 1930 , que se formou na natureza quando os raios cósmicos atingem partículas na atmosfera de nosso planeta. Muons estão passando por você e por tudo ao seu redor a uma velocidade próxima à da luz. No entanto, muitos de nós provavelmente nem perceberam sua existência até abril de 2021, quando a partícula virou manchete depois que pesquisadores do Fermi National Accelerator Laboratory - mais conhecido como Fermilab - divulgaram os resultados iniciais de um estudo de três anos - longa experiência com Muon g-2 .

O estudo do Fermilab confirmou descobertas anteriores de que o múon se comporta de forma contrária ao Modelo Padrão da Física de Partículas , o arcabouço teórico que visa descrever como a realidade funciona no nível mais ínfimo. Como este artigo da Science explica, múons - que existem em um mar de outras partículas minúsculas e antipartículas que os afetam - na verdade são ligeiramente mais magnéticos do que o modelo padrão poderia prever. Isso, por sua vez, aponta para a possível existência de outras partículas ou forças ainda desconhecidas.

Como um dos pesquisadores, o físico Jason Bono, explicou em um comunicado à imprensa de sua alma mater Florida International University, a equipe sabia que se eles confirmaram a discrepância no magnetismo dos múons, "não saberíamos exatamente o que está causando isso, mas nós saberia que é algo que ainda não entendemos. "

Os resultados iniciais, junto com outras pesquisas recentes sobre partículas , poderiam ajudar a construir o caso para uma nova física que substituiria o Modelo Padrão. Do Fermilab, aqui está um vídeo do YouTube explicando os resultados e seu significado:

"Muons são como elétrons, exceto 200 vezes mais pesados", explica Mark B. Wise , em uma entrevista por e-mail. Ele é professor de física de altas energias no California Institute of Technology e membro da prestigiosa National Academy of Sciences . (Se isso não impressiona você o suficiente, ele também atuou como consultor técnico em aceleradores de partículas para o filme de Hollywood de 2010 "Homem de Ferro 2").

"De acordo com a fórmula de Einstein E = mc2, isso significa que múons em repouso têm mais energia do que elétrons", diz Wise. "Isso permite que eles se decomponham em partículas mais leves, enquanto ainda conservam energia em geral."

Outra diferença fundamental é que se acredita que os elétrons são muito próximos da imortalidade , mas os múons só existem por 2,2 milionésimos de segundo, antes de se decomporem em um elétron e dois tipos de neutrinos, de acordo com este primer do Departamento de Energia dos EUA sobre a partícula.

Os múons que estão constantemente sendo criados quando os raios cósmicos atingem partículas na atmosfera da Terra viajam distâncias surpreendentes em sua breve existência, movendo-se perto da velocidade da luz. Eles atingem cada centímetro da superfície da Terra e passam por quase tudo em seu caminho imediato, potencialmente penetrando uma milha ou mais na superfície da Terra, de acordo com o DOE.

A peça central do experimento Muon g-2 no Fermilab é um anel de armazenamento magnético supercondutor de 50 pés de diâmetro (15 metros de diâmetro), que fica em sua sala de detecção em meio a racks eletrônicos, a linha de luz de múons e outros equipamentos. O experimento opera a menos 450 graus F (menos 232 graus C) e estuda a precessão (ou oscilação) dos múons conforme eles viajam pelo campo magnético.

Alguns descreveram os múons como a chave para a compreensão de todas as partículas subatômicas, embora Wise não vá tão longe. “Na busca por uma física além de nossa compreensão atual, você deve estudar todas as partículas”, diz ele. "O múon tem algumas vantagens. Por exemplo, seu momento magnético anômalo é previsto com muita precisão, o que o torna mais sensível à nova física, além de nossa teoria atual que alteraria essa previsão. Ao mesmo tempo, pode ser medido com muita precisão."

Porém, estudar múons não é uma questão simples. O Fermilab está usando um dispositivo de 700 toneladas (635 toneladas métricas) contendo três anéis, cada um com 50 pés (15 metros) de diâmetro, que foi enviado por barcaça e caminhão para Illinois de sua casa original no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, alguns anos voltar. O dispositivo é capaz de gerar um campo magnético de 1,45 Tesla, aproximadamente 30.000 vezes o campo magnético da Terra.

“É fascinante que, para estudar algo tão pequeno e de vida curta, eles precisem desses equipamentos enormes”, explica Wise. "Quando são produzidos em alta energia, viajam quase na velocidade da luz e podem percorrer uma distância razoável antes de se decomporem. Portanto, você pode procurar as evidências que eles deixam em um detector."

Por exemplo, como os múons são partículas carregadas, eles podem ionizar a matéria pela qual passam. Os elétrons que são produzidos por essa ionização podem ser detectados, segundo Wise.

Uma chuva de raios cósmicos, c. 1930. Esta foto foi tirada por Carl Anderson (1905-1991), que descobriu o múon e o pósitron.

Wise diz que a recente descoberta da equipe do Fermilab de que a partícula é um pouco mais magnética do que os físicos esperavam é significativa. "Isso discorda da previsão das teorias atuais para o momento magnético do múon (a teoria atual é geralmente chamada de Modelo Padrão). Portanto, há alguma nova física além daquela em nossa teoria atual que está presente e muda a previsão para esta quantidade," Wise diz

Como muitas descobertas importantes, a descoberta do Fermilab levanta mais novas questões, e há muito que os cientistas ainda querem saber sobre o múon.

"Qual é a nova física é a questão que ela levanta", diz Wise. "Existem também algumas outras anomalias que não são explicadas no [Modelo Padrão] que envolvem múons. Todos eles estão conectados de alguma forma?"

Wise também alerta para as descobertas do Fermilab. “Pode ser que haja algum efeito sistemático no experimento que não seja compreendido e esteja afetando a interpretação da medição”, explica. "Da mesma forma para a teoria. Portanto, essa anomalia pode acabar desaparecendo. É muito importante verificar essas coisas o máximo possível."

Agora isso é interessante

Como o físico do Fermilab Chris Polly observa neste ensaio de 2020, cada partícula do universo - mesmo nas extensões mais profundas e aparentemente vazias do espaço - é cercada por uma "comitiva" de outras partículas, que continuamente "piscam para dentro e para fora da existência. "

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