Quebra-cabeça de 20 anos na física pode ter chegado ao fim

Um dos maiores enigmas recentes da física de partículas acaba de perder parte do seu brilho misterioso. Um novo estudo publicado na Nature indica que a anomalia magnética do múon, vista por anos como possível pista de uma quinta força da natureza, pode ser explicada pelo Modelo Padrão.

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O mistério que animou a física por duas décadas

Há cerca de 20 anos, físicos investigam uma diferença incômoda entre medições experimentais e previsões teóricas sobre o múon. Essa partícula funciona como uma “prima” mais pesada do elétron.

O interesse vinha de um detalhe: o múon parecia se comportar de um jeito ligeiramente diferente do esperado. Para a física, pequenas diferenças podem abrir portas enormes. Nesse caso, alguns cientistas viam ali uma possível pista de uma interação ainda desconhecida.

Zoltan Fodor, físico da Universidade Estadual da Pensilvânia, nos EUA, e coautor do novo trabalho, afirmou que muitos cálculos feitos ao longo de cerca de 60 anos apontavam para uma discrepância. Segundo ele, isso sugeria uma nova interação capaz de mudar leis conhecidas da física.

Por que o múon é tão importante?

O múon pertence à família dos léptons. Ele é parecido com o elétron, mas mais pesado. Essa característica o torna útil em experimentos porque ele consegue “sentir” efeitos sutis do vácuo quântico.

Na física quântica, o vácuo não é um espaço totalmente vazio. Partículas virtuais podem surgir e desaparecer rapidamente, como pequenas ondulações em um lago invisível. O múon pode interagir por instantes com essas partículas.

Por isso, seu magnetismo interno não segue exatamente o valor clássico esperado. Essa pequena diferença recebe o nome de momento magnético anômalo do múon.

O experimento que reacendeu a dúvida

O experimento Muon g-2 mede uma espécie de oscilação do múon quando ele passa por um campo magnético. Se essa oscilação diverge da previsão teórica, isso pode indicar física além do Modelo Padrão.

Em 2006, o resultado final de um experimento anterior mostrou uma diferença intrigante. O sinal chegou a 3,7 sigma, um nível considerado forte, mas ainda insuficiente para anunciar uma descoberta.

Depois, o Fermilab retomou o experimento e encontrou concordância com a diferença vista antes. Juntos, os dados elevaram a significância para 4,2 sigma, perto do padrão de 5 sigma usado para reivindicar descobertas em física de partículas.

Um cálculo em escala extrema

O novo estudo atacou uma parte difícil do problema: os efeitos da força forte, principalmente a chamada polarização hadrônica do vácuo. Esse efeito envolve quarks e glúons, partículas fundamentais descritas pela cromodinâmica quântica.

A equipe usou uma abordagem híbrida, combinando simulações computacionais de larga escala com dados experimentais. Em vez de reinterpretar milhares de resultados antigos, os cientistas dividiram o espaço-tempo em pequenas células, como uma malha, e resolveram ali as equações do Modelo Padrão.

Aliás, o processo levou 10 anos. Ao final, os resultados bateram com o Modelo Padrão dentro de meio desvio padrão e alcançaram precisão de 11 casas decimais, na escala de partes por bilhão.

A quinta força ficou mais distante

O resultado não elimina por completo a possibilidade de nova física. Ainda assim, reduz o espaço onde uma eventual quinta força poderia se esconder.

Além disso, Fodor disse que se sente “um pouco triste” com a descoberta. Segundo ele, a equipe começou o cálculo esperando encontrar uma base confiável para uma nova quinta força. Em vez disso, encontrou uma prova muito precisa do Modelo Padrão e da teoria quântica de campos.

Ou seja, a física conhecida sobreviveu a mais um teste duro. E, desta vez, o mistério parece ter vindo menos de uma nova força da natureza e mais de um cálculo que precisava alcançar precisão extrema.