Polindo o modelo padrão: múons, raios cósmicos e “nova física”

Bruno Carneiro da Cunha
06/04/2017

Alguns dos diagramas envolvidos no cálculo teórico do momento magnético do múon. No limite dos erros experimentais, a série envolve mais de 2000 termos, cada um deles associados a uma integral múltipla. Extraído de [1].
As verificações do modelo padrão de partículas estão relacionadas a aceleradores de partículas enormes, com colaborações envolvendo milhares de cientistas e centenas de milhões de dólares.

Em larga medida é verdade.

Mas há uma série de experimentos ativos, que não dependem do máximo de energia que os aceleradores de partículas podem suprir. Às vezes, com orçamento e pessoal muito mais reduzido que os imensos LHCb, ALICE, ATLAS e CMS, experimentos atualmente em operação no LHC, eles são muito importantes para uma verificação independente dos parâmetros do modelo padrão.

Desde experimentos relativamente pequenos como o ALPHA, que funciona no LHC e é dedicado a estudar o anti-hidrogênio (átomo análogo ao hidrogênio, mas composto de anti-partículas: um núcleo negativamente carregado, orbitado por um pósitron positivamente carregado) [2], até o Pierre Auger, uma colaboração imensa de detetores localizadas na Argentina dedicada a estudar raios cósmicos, estes experimentos se dedicam a preencher as lacunas que os grandes experimentos do LHC deixam: detalhamento preciso de fenômenos cuja energia não é facilmente acessada pelo LHC, ou fenômenos cuja energia simplesmente não é acessível com nossa tecnologia atual.

Um detetor de raios cósmicos nos Pampas argentinos. O observatório Pierre Auger é composto de 1660 detetores como esse espalhados por uma área de 3000 km2. Extraído de [3].
Com raios cósmicos, por exemplo, pode-se acessar fenômenos que só ocorrem a energias um milhão de vezes maior que as obtidas no LHC. Raios cósmicos com essas energias são gerados fora da nossa galáxia, mas nos atingem com certa frequência. A contrapartida é que os fenômenos interessantes do ponto de vista de física de partículas ocorrem na ionosfera, e os detetores, localizados no solo, só têm acesso a produtos secundários e terciários das reações de altíssimas energias. A quantidade de eventos também é um problema: enquanto o detetor Auger assinala uns poucos milhares de eventos de colisões de prótons a altas energias por ano, o LHC pode produzir bilhões de colisões por segundo.

Mesmo assim, com paciência e controle sobre os resultados das medições, é possível chegar a valores precisos o suficiente para certos tipos de processos, de forma a compará-los com que se vê no LHC. Um dos resultados recentes sobre múons chama bastante a atenção [4]. Múons são partículas elementares parecidas com os elétrons (são ambos léptons), apesar de cerca de 200 vezes mais maciça. O número relativamente alto de múons que conseguem cruzar a distância entre a ionosfera e o solo é uma das provas experimentais do fenômeno relativístico de dilatação temporal. Neste estudo recente, o número de múons gerados parece de 30% a 60% maior que os modelos baseados no modelo padrão prevêem.

Não é um resultado isolado: tanto resultados do HiResMIA, que operava nos EUA na década de 2000, quanto resultados preliminares do próprio Auger mostram um excesso de múons. Como as energias acessadas são 10 a 100 vezes maiores que as produzidas pelo LHC, resta a chance de este excesso ser resultado de novas estruturas físicas além da do modelo padrão. Como o resultado também pode ser devido a fenômenos complexos devido à estrutura da atmosfera, o caso merece mais escrutínio.

Múons têm, de fato, uma propensão a aparecer dentro das discrepâncias experimentais do modelo padrão. Outro experimento relativamente modesto na virada do milênio, em Brookhaven, nos EUA, se prestou a medir o momento magnético da partícula com máxima precisão. O momento magnético de partículas elementares como o elétron é um ótimo teste de precisão pois seu valor pode ser descrito com grande acuidade teórica dentro do modelo padrão. O teste mais famoso da eletrodinâmica quântica é o momento magnético do elétron, que hoje é “predito” teoricamente com 10 algarismos significativos, enquanto o erro experimental segue bastante próximo, com 9 algarismos. O fato dos dois números concordarem dentro das margens experimentais e teóricas é, com certeza, uma das vitórias da teoria.

O enorme magneto que permitiu a medição do momento anômalo do múon em Brookhaven é transferido para sua nova casa no Fermilab, onde continuará no novo experimento “Muon g-2”. Extraído de [6], com crédito para o Brookhaven National Laboratory.
Com o múon, por outro lado, a história é outra: há uma discrepância entre o valor predito pelo modelo padrão e o valor medido de mais de duas vezes a margem de erro (sigma), o que implica em uma “chance de erro” de menos de 4%. O experimento em Brookhaven foi terminado em 2001 sem uma conclusão definida, pois em física de partículas a existência de um fenômeno só é aceita se a margem de erro for de 0,0003% ou menor (5 sigma). Neste momento seu sucessor no Fermilab nos arredores de Chicago, chamado de “Muon g-2” [5], está conduzindo os experimentos que devem decidir se a anomalia é simplesmente um erro de medição ou se realmente é o arauto de uma nova física. Os próximos anos serão decisivos.

É de fato interessante que as anomalias, suspeitas e desafios ao modelo padrão apareçam sempre com processos envolvendo as mesmas partículas elementares. No caso do múon, temos um conhecimento profundo do seu comportamento a várias escalas de energia diferentes, ao mesmo tempo que as medições são precisas o suficiente para testarmos os limites da teoria. Em alguns outros casos, envolvendo o quark “bottom”, mesmo os mecanismos fundamentais, como o fenômeno de oscilação, parecem misteriosos — e potencialmente importantes para a aparente assimetria entre matéria e anti-matéria no universo. Voltaremos a esse ponto no futuro. Fiquem ligados!

[1] T Aoyama et al. Tenth-order QED lepton anomalous magnetic moment: Eighth-order vertices containing a second-order vacuum polarization. Phys Rev D 85, 0333007 (2012). [Disponível em https://arxiv.org/abs/1110.2826].

[2] HK Jarlett. ALPHA Observers the Light Spectrum of Antimatter for First Time. CERN. URL: https://home.cern/about/updates/2016/12/alpha-observes-light-spectrum-antimatter-first-time. Publicado em 19 de dezembro (2016).

[3] Pierre Auger Observatory. Leeds Group Home Page. URL: http://www.ast.leeds.ac.uk/Auger/.

[4] T Gaisser. Viewpoint: Cosmic-Ray Showers Reveal Muon Mystery. Physics. URL: https://physics.aps.org/articles/v9/125. Publicado em 31 de outubro (2016).

[5] Fermilab. Muon g-2 Experiment. URL: http://muon-g-2.fnal.gov.

[6] Fermilab. Muon g-2, The Big Move. URL: http://muon-g-2.fnal.gov/bigmove/gallery.shtml.

Como citar este artigo: Bruno Carneiro da Cunha. Polindo o modelo padrão: múons, raios cósmicos e “nova física”. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2017/04/polindo-o-modelo-padrao-muons-raios-cosmicos-e-nova-fisica/. Publicado em 06 de abril (2017).

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Bruno Carneiro da Cunha

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Física de Partículas Elementares no Saense.

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