Artigo assinado por centenas de
pesquisadores mostra que a discrepância histórica entre a previsão teórica e os
dados experimentais praticamente desapareceu; resultado é fundamental para
validação do Modelo Padrão da Física de Partículas
O enorme ímã supercondutor de quase 15 metros de diâmetro do experimento “Múon g-2”
sendo transportado inteiro do Brookhaven National Laboratory para o Fermilab. A operação,
apelidada de “The Big Move”, percorreu cerca de 5.100 km em 35 dias, combinando
transporte rodoviário noturno e transporte marítimo e fluvial
(imagem: Fermilab)
Ao longo dos últimos anos, o
chamado “momento magnético anômalo do múon”, representado pela fórmula “g-2”,
foi objeto de um intenso debate no campo da física de partículas. Diferenças
entre o número medido em laboratório e o calculado no Modelo Padrão foram
interpretadas como possíveis sinais de fenômenos ainda desconhecidos, não
incorporados pela teoria. Agora, uma revisão internacional, que mobilizou
centenas de pesquisadores do mundo todo, concluiu que, com os cálculos e os
experimentos atuais, a discrepância praticamente desapareceu, dentro da margem
de erro. Artigo a respeito foi publicado no periódico Physics Reports.
“A mensagem mais importante da
revisão, que expressa o consenso atual, é que aquela grande discrepância
registrada no passado aparentemente não existe, segundo os dados e os cálculos
mais recentes. Ainda sobrevivem tensões a serem investigadas, mas os resultados
apontam para o acordo entre teoria e experimento”, diz Diogo Boito, do Instituto de Física de São Carlos da
Universidade de São Paulo (IFSC-USP). Com sua aluna Cristiane Yumi Mise London, doutoranda no IFSC-USP, Boito
participou da revisão e foi um dos autores do capítulo 4 do artigo.
O múon é uma partícula elementar
da classe dos léptons. Esta engloba três partículas eletricamente carregadas e
com carga igual a “-1” (o elétron, o múon e o tau) e três partículas neutras (o
neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau). No contexto
terrestre, o múon surge principalmente quando raios cósmicos colidem com
núcleos da atmosfera ou em colisões artificiais produzidas em laboratório pelos
grandes aceleradores de partículas. Como possui massa cerca de 207 vezes maior
do que a do elétron, o múon é instável e decai no elétron por meio da interação
fraca. Seu tempo próprio de vida é de aproximadamente 2,2 microssegundos.
Porém, pelo fato de viajar em velocidades próximas à da luz, ele sofre o efeito
da dilatação do tempo, formulada pela Teoria Especial da Relatividade. De modo
que, para o observador externo, seu tempo de vida pode se prolongar por dezenas
e até centenas de microssegundos – o suficiente para que um grande número de
múons possa atravessar toda a atmosfera e alcançar a superfície da Terra.
Como tem carga elétrica e é
dotado de spin, o múon comporta-se como um pequeno ímã – vale dizer que possui
um momento magnético, que quantifica sua interação com um campo magnético
externo por meio de uma constante conhecida como “g”. O valor teórico do
momento magnético no contexto relativístico é obtido a partir da equação de
Dirac (formulada pelo físico inglês Paul Dirac, 1902-1984, Prêmio Nobel de
Física de 1933, um dos fundadores da mecânica e da eletrodinâmica quânticas) e
o resultado é “g = 2”. Porém o momento magnético real nunca tem “g” igual a 2,
porque o múon jamais aparece sozinho, mas está sempre rodeado de campos
quânticos nos quais todo tipo de partícula pode se manifestar e efetivamente se
manifesta.
“O campo magnético não
‘enxerga’ apenas a partícula isolada. Ele ‘enxerga’ toda essa nuvem na qual a
partícula se encontra imersa. E nessa nuvem tem de tudo”, afirma Boito. “Por
isso, o ‘g-2’, o momento magnético anômalo do múon, constitui um extraordinário
recurso para testar o Modelo Padrão. Se a medida de ‘g-2’ obtida
experimentalmente e a medida calculada a partir da teoria coincidem, isso
representa uma importante validação do Modelo Padrão. Mas se existe uma
discrepância entre os dois valores, como parecia existir, a conclusão seria a
de que alguma coisa não prevista pelo Modelo Padrão poderia estar ocorrendo”,
ele explica.
Essa “coisa não prevista” a que
se refere o pesquisador poderia ser matéria escura, outras formas do bóson de
Higgs ou, até mesmo, outras forças diferentes das quatro forças conhecidas
(gravitacional, eletromagnética, forte e fraca). Em resumo: “coisas” que não
estão contempladas pelo Modelo Padrão. “Daí a importância de medir e calcular
esse número com extrema precisão”, comenta Boito.
As medições experimentais mais
recentes foram realizadas no Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab,
um dos principais laboratórios de física de partículas do mundo, localizado no
Estado de Illinois (EUA), em continuidade a medições anteriores feitas no
Brookhaven National Laboratory, no Estado de Nova York.
No experimento são utilizados
principalmente múons positivos, que são produzidos e colocados para circular em
um anel magnético extremamente uniforme, com cerca de 14,2 metros de diâmetro.
Enquanto circulam em velocidades próximas à da luz, os múons decaem por
interação fraca e produzem pósitrons (elétrons positivos), que escapam da
órbita do feixe e atingem os detectores instalados ao redor do anel. Esses
pósitrons são emitidos com maior probabilidade na direção e sentido do spin. Se
o momento magnético do múon fosse exatamente 2, como manda a teoria, os
impactos produzidos nos detectores formariam uma linha contínua de altura
invariável. Porém, como existe uma diferença entre o valor real e 2, isto é, o
“g-2”, tal fato causa uma precessão do spin, um bamboleio semelhante ao do
pião, que faz com que os impactos subam e desçam periodicamente. É exatamente
esse sobe e desce que permite medir, com extrema precisão, o valor de “g-2”.
O experimento do Fermilab não é
inteiramente novo: ele aproveitou o anel magnético que já existia no
Brookhaven. Foi montada uma operação com logística extraordinária para levar o
anel inteiro, sem desmontar, de um laboratório a outro. O transporte não foi
feito por rodovia, diretamente de Nova York para Illinois. Mas percorreu cerca
de 5,1 mil quilômetros em aproximadamente 35 dias, combinando transporte
rodoviário noturno em caminhões especiais na saída de Brookhaven e na chegada
ao Fermilab, e um longo trecho marítimo e fluvial em barcaça ao longo da costa
leste dos Estados Unidos, contornando a Flórida e subindo pelo sistema de rios
até Illinois.
Em 2021 e 2023, os primeiros
resultados do Fermilab confirmaram os valores obtidos no Brookhaven. E os
resultados de 2025, que encerraram o ciclo experimental, alcançaram muito mais
precisão, mas não mudaram substancialmente os números anteriores. Ficou claro
que os valores experimentais eram muito sólidos. Se havia discrepância com
relação aos resultados obtidos a partir da teoria, isso se devia a uma
deficiência destes últimos. Foi o que a nova revisão demonstrou. Levando em
conta tanto os dados experimentais atualizados quanto avanços significativos
nos cálculos teóricos, a revisão concluiu que as diferenças entre teoria e
experimento caíram para um nível estatisticamente não significativo. Em outras
palavras: com os números atuais, não há evidência que corrobore a necessidade
de uma nova física, para além do Modelo Padrão.
“A dificuldade dos cálculos
teóricos se deve ao fato de que a interação do múon com o campo magnético
recebe contribuições de todas as partículas previstas pelo Modelo Padrão. Parte
dessas contribuições – associada ao elétron, ao fóton e aos bósons eletrofracos
– pode ser calculada com métodos analíticos altamente precisos. Por assim
dizer, com papel e lápis”, sublinha Boito.
“Porém, mesmo em relação às
contribuições que podem ser tratadas analiticamente, como essas determinadas
pela eletrodinâmica quântica, o cálculo do ‘g-2’ exige considerar uma série de
correções sucessivas. A correção de primeira ordem, associada à troca virtual
de um fóton, foi calculada por Julian Schwinger em 1948. Correções de ordens
superiores envolvem processos mais complexos, como o fóton transformando-se
temporariamente em pares elétron-pósitron antes de ser reabsorvido. À medida
que se consideram ordens cada vez mais altas, surgem diagramas com múltiplos
pares virtuais, mas cada novo termo contribui progressivamente menos para o
resultado final, o que permite que possam ser suprimidos. Ainda assim, para se
alcançar a precisão atual, calculada até a quinta ordem, foi necessário um
esforço que levou mais de meio século para ser completado.”
“Hoje, o maior desafio está em
outro setor, aquele governado pela força forte, que envolve quarks e glúons, os
constituintes dos prótons e nêutrons. Essa interação é descrita pela
cromodinâmica quântica [QCD, da expressão em inglês quantum
chromodynamics], que é uma teoria matematicamente complexa”, afirma Boito.
Durante um bom tempo, a estratégia principal para estimar a contribuição dos
quarks ao “g-2” foi indireta. Em vez de calculá-la diretamente a partir da QCD,
os físicos recorriam a outro método rigoroso, porém baseado em medições
experimentais obtidas em aceleradores, nas quais elétrons e pósitrons colidem e
se transformam em hádrons. Esses dados de colisões são então inseridos em
relações matemáticas que permitem reconstruir a contribuição hadrônica ao
“g-2”, sem cálculos fundamentais em QCD, que seriam impraticáveis. Trata-se do
chamado “método baseado em dados”, que possibilita contornar as dificuldades
matemáticas da QCD, mas que levou a grandes discrepâncias com os dados
experimentais de “g-2".
Uma nova estratégia teórica e
recursos computacionais muito mais robustos abriram caminho para a solução do
conflito. “Nos últimos anos, ganhou protagonismo uma abordagem chamada de
“cromodinâmica quântica na rede”, ou lattice QCD. Nesse
método, o espaço-tempo não é tratado como contínuo, mas como um conjunto de
pontos discretos formando um reticulado – análogo à rede cristalina de um
sólido. Essa discretização transforma o problema teórico em algo que pode ser
tratado numericamente: em vez de lidar com as infinitas possibilidades de um
espaço-tempo contínuo, os cálculos passam a ocorrer em um volume finito, com
espaçamento mínimo entre os pontos. Isso torna viável simular a dinâmica dos
quarks e glúons em supercomputadores. O objetivo é aproximar cada vez mais essa
rede do espaço-tempo real, reduzindo o espaçamento entre os pontos e aumentando
o volume simulado, até que os resultados possam ser extrapolados para o mundo
físico”, informa o pesquisador.
Na QCD na rede, não se resolve
diretamente uma equação analítica para obter o resultado final. O procedimento
é diferente: define-se a intensidade das interações fundamentais entre quarks e
glúons, distribuem-se essas partículas sobre o reticulado e deixa-se o sistema
evoluir numericamente, segundo as regras da teoria, usando uma técnica
estatística conhecida como Método de Monte Carlo (devido aos famosos cassinos
daquela cidade).
Vale ressalvar que a descrição
popular segundo a qual o múon estaria rodeado por uma “nuvem de partículas
virtuais” não é o ponto de partida dos cálculos, mas uma forma posterior de
interpretar os resultados. Os físicos começam com expressões rigorosamente
quantitativas fornecidas pela teoria quântica de campos e só depois procuram
traduzi-las em imagens intuitivas. A noção de nuvem é, portanto, uma metáfora
pedagógica para representar uma série de correções calculadas termo a termo,
não algo que seja contado diretamente como um número fixo de partículas ao
redor do múon.
Para efeito de comparação, o
melhor valor experimental obtido para “(g-2)/2” pelo Fermilab foi
0,001165920705±0,000000000148. Pelo método de QCD na rede, chegou-se ao número
0,00116592033±0,00000000062. A diferença entre eles, da ordem de 3,8×10^(-10),
não é estatisticamente significativa.
Novas medidas de colisões
elétron-pósitron no acelerador VEPP-2000 em Novosibirsk, na Sibéria, feitas
pelo experimento CMD-3 em 2023, levam a resultados que, com o “método baseado
em dados”, são muito próximos aos obtidos com a “QCD na rede” e em bom acordo
com os experimentos de “g-2”. Este resultado difere daqueles anteriormente
alcançados com esse método e indica que algumas das medidas de colisões
elétron-pósitron mais antigas podem ter algum problema, ou ter sua incerteza
subestimada. As medidas anteriores estão sendo cuidadosamente investigadas para
que se chegue a um diagnóstico final. E novos experimentos, como o BES-III, na
China, continuam medindo colisões elétron-pósitron. No momento, segundo os
autores da revisão, os cálculos utilizando “QCD na rede” atingiram um nível de
precisão suficiente para que sejam mais confiáveis, substituindo o método
anterior na parte mais crítica do cálculo, mas os resultados obtidos com o
“método baseado em dados” precisam ser mais bem entendidos para se chegar a um
veredito final.
A revisão é fruto de um esforço
internacional coordenado, resultante da chamada Muon g-2 Theory Initiative,
criada em 2017 para coordenar a comunidade de pesquisadores envolvidos no
assunto. O grupo organiza workshops regulares e publica relatórios de consenso
– conhecidos como White Papers – reunindo os melhores
resultados disponíveis em cada momento. A nova edição incorpora centenas de
estudos recentes, revisões metodológicas e atualizações experimentais, além de
avanços em ferramentas computacionais. Participam do trabalho instituições da
Europa, Ásia, América do Norte e América Latina. O Brasil aparece por meio de
pesquisadores ligados ao IFSC-USP.
A participação brasileira foi
apoiada pela FAPESP por meio de Auxílio a Jovens Pesquisadores-Fase 2, concedido a Boito;
e de bolsas de Doutorado e de Estágio de Pesquisa no Exterior, concedidas a London.
O artigo The anomalous
magnetic moment of the muon in the Standard Model: an unpdate pode ser
lido em: sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157325002157.
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/revisao-harmoniza-teoria-e-experimento-no-calculo-do-momento-magnetico-do-muon/57333
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