O modelo padrão de física de partículas – a melhor descrição mais bem examinada dos cientistas da realidade já criou – compara a ter se afastado mais uma ameaça ao seu reinado.
Pelo menos, essa é uma interpretação de um resultado experimental tão esperado anunciado em 3 de junho por físicos no Laboratório Nacional de Acelerador Fermi, ou Fermilab, em Batávia. a oncho magnético de uma partícula subatômica estranha chamada Muon– Ainda continua sendo o desafio mais significativo para a supremacia do modelo padrão. Os resultados foram Postado no servidor pré -impressão arxiv.org e enviado ao diário Cartas de revisão física.
O Muon é o primo menos estável do elétron, de 200 vezes. E, como o elétron e todas as outras partículas carregadas, possui um magnetismo interno. Quando o magnetismo inerente do Muon se chocou com um campo magnético externo, os precedentes de partículas, torquendo para e para cá como um topo de balanço e giro. Os físicos descrevem a velocidade desta precessão usando um número, gAssim, O que há quase um século foi calculado teoricamente como exatamente 2. A realidade, no entanto, prefere um valor ligeiramente diferente, decorrente do muon oscilante sendo empurrado por um mar circundante de partículas “virtuais” que se deslocam na existência no vácuo quântico. O modelo padrão pode ser usado para calcular o tamanho desse desvio, conhecido como G -2, contabilizando todas as influências das várias partículas conhecidas. Mas como G -2 deve ser sensível a partículas e forças não descobertas, uma incompatibilidade entre um desvio calculado e uma medição real pode ser Um sinal de nova física além dos limites do modelo padrão.
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Essa é a esperança, de qualquer maneira. O problema é que os físicos encontraram duas maneiras diferentes de calcular G -2, e um desses métodos, por um separado papel de pré -impressão Lançado em 27 de maio, agora fornece uma resposta que corresponde de perto à medição do momento magnético anômalo do Muon, o resultado final do experimento Muon G -2 hospedado no Fermilab. Portanto, uma nuvem de incerteza ainda fica no alto: o desvio experimental mais significativo na física de partículas foi morto por ajustes teóricos apenas quando sua melhor medição chegou, ou a anomalia do Muon G-2 ainda está vivo e bem? Irritantemente, o caso ainda não pode ser conclusivamente fechado.
A última palavra – mas não a última
A colaboração Muon G -2 anunciou os resultados na terça -feira em um auditório lotado no Fermilab, oferecendo ao público (que incluiu mais de 1.000 pessoas assistindo via transmissão ao vivo) uma breve história do projeto e uma visão geral de seu resultado final. O coração do experimento é um ímã gigante de 50 pés de diâmetro, que atua como uma pista de corrida para os muons balançados. Em 2001, enquanto operava no Laboratório Nacional de Brookhaven em Long Island, este anel revelou o sinal inicial de um desvio tentador. Em 2013, os físicos moviam -se minuciosamente o anel por caminhão e barcaça de Brookhaven para Fermilab, onde poderia aproveitar uma fonte muon mais poderosa. A colaboração muon g -2 começou em 2017. E em 2021 lançado O primeiro resultado que fortaleceu as dicas anteriores de uma aparente anomalia, que foi reforçada ainda mais por resultados adicionais anunciado em 2023. Este resultado mais recente é uma lápide para as medições anteriores: a medição final da colaboração fornece um valor de 0,001165920705 para G -2, consistente com os resultados anteriores, mas com uma precisão notável de 127 partes por bilhão. Isso é aproximadamente equivalente, observou -se durante o anúncio de 3 de junho, para medir o peso de um bisonte com a precisão de uma única semente de girassol.
Apesar desse feito impressionante de medição, a interpretação desse resultado continua sendo uma questão totalmente diferente. A tarefa de calcular previsões de modelo padrão para G -2 é tão gigantesca que reuniu mais de 100 teóricos para um projeto suplementar chamado Iniciativa da Teoria Muon G -2.
“É um esforço da comunidade com a tarefa de apresentar um valor de consenso com base em todas as informações disponíveis na época”, diz Hartmut Wittig, professor da Universidade de Mainz na Alemanha e membro do Comitê Diretor da Iniciativa da Teoria. “A resposta para que exista uma nova física pode depender de qual a previsão da teoria você compara. O valor do consenso deve acabar com essa ambiguidade”.
Em 2020 o grupo publicou um cálculo teórico de G -2 que parecia confirmar a discrepância com as medições. A pré -impressão de maio, no entanto, trouxe mudanças significativas. A diferença entre teoria e experimento agora é menor de uma parte por bilhão, um número minúsculo e muito menor que as incertezas que o acompanham, o que levou à declaração de consenso da colaboração de que “não há tensão” entre as previsões do modelo padrão e o resultado medido.
Insanidade virtual (partícula)
Para entender o que trouxe essa mudança nas previsões, é preciso examinar uma categoria das partículas virtuais que cruzam o caminho dos Muons.
“(Exceto por gravidade) Três das quatro forças fundamentais conhecidas contribuem para G -2: eletromagnetismo, a interação fraca e a forte interação”, explica Wittig. A influência de fótons virtuais (partículas de luz que também são portadores da força eletromagnética) nos muons é relativamente direta (embora ainda trabalhosa) para calcular, por exemplo. Por outro lado, determinar com precisão os efeitos da força forte (que geralmente mantém os núcleos dos átomos unidos) é muito mais difícil e é o menos teoricamente restrito entre todos os cálculos de G -2.
Em vez de lidar com fótons virtuais, esses cálculos lidam com os hadrons virtuais, que são aglomerados de partículas fundamentais chamadas quarks colados por outras partículas chamadas (você pode ter adivinhado). Os hadrons podem interagir consigo mesmos para criar bagunças emaranhadas e de escuta de precisão que os físicos chamam de “bolhas hadrônicas”. cálculos enormemente complicando de suas contribuições para o balanço dos Muons. Até o resultado de 2020, os pesquisadores estimaram indiretamente essa chamada contribuição de polarização de vácuo hadrônica (HVP) para a anomalia do muon G-2, medindo-o experimentalmente para elétrons.
Um ano depois, porém, uma nova maneira de calcular a HVP foi introduzida com base na cromodinâmica quântica da rede (Lattice QCD), uma metodologia computacionalmente intensiva e rapidamente pegou.
Gilberto Colangelo, professor da Universidade de Bern, na Suíça, e membro do Comitê Diretor da Iniciativa da Teoria, ressalta que, atualmente, “no lado do QCD da treliça, há uma imagem coerente emergindo de diferentes abordagens. O fato de que eles concordam com o resultado é uma indicação muito boa que estão fazendo a coisa certa.”
Enquanto os múltiplos sabores dos cálculos de QCD da treliça melhoraram e seus resultados convergiram, as medições experimentais baseadas em elétrons da HVP foram da maneira oposta. Entre sete experimentos que buscam restringir a HVP e apertar a precisão preditiva, apenas um concordou com os resultados do QCD da rede, enquanto também houve desvio entre suas próprias medições.
“Esta é uma situação intrigante para todos”, observa Colangelo. “As pessoas fizeram cheques um contra o outro. Os (experimentos) foram examinados em detalhes; tivemos sessões que duraram cinco horas … nada de errado foi encontrado.”
Eventualmente, a iniciativa teoria decidiu usar apenas os resultados do QCD da rede para o fator HVP no white paper deste ano, enquanto trabalha para entender os resultados experimentais. A escolha moveu o valor total previsto para G -2 muito mais próximo da medição do Fermilab.
O modelo padrão ainda permanece alto
O modelo padrão viu todas as suas previsões testadas experimentalmente com alta precisão, dando -lhe o título da teoria mais bem -sucedida da história. Apesar disso, às vezes é descrito como algo indesejado ou mesmo falhado porque não aborda questões gerais em aberto, como a natureza da matéria escura escondida nas galáxias.
Nos termos sólidos de desvios experimentais de suas previsões, este século viu a ascensão e queda de muitos Alarmes falsos.
Se a anomalia do Muon G-2 desaparecer, no entanto, também derrubará alguns candidatos associados à nova física de mudança de paradigma; A ausência de novos tipos de partículas no vácuo quântico colocará fortes restrições nas teorias “além do modelo padrão”. Isso é particularmente verdadeiro para a teoria da supersimetria, a favorita entre os teóricos, alguns dos quais adaptaram uma infinidade de previsões que explicavam a anomalia do Muon G-2 como um produto de partículas supersimétricas ainda sem sentido.
Kim Siang Khaw, professor associado da Universidade de Shanghai Jiao Tong na China e membro do Muon G -2 de Fermilab, oferece uma perspectiva sobre o que seguirá. “A iniciativa da teoria ainda é um trabalho em andamento”, diz ele. “Eles podem ter que esperar vários anos para finalizar. (Mas) todo estudo de física é um trabalho em andamento”. Khaw também menciona que atualmente Fermilab está analisando o reaproveitamento do “anel de armazenamento” do Muon e do ímã usado no experimento, explorando mais idéias que podem ser estudadas com ele.
Finalmente, na frente da teoria, ele reflete: “Acho que a beleza da (a medição G -2) e a comparação com o cálculo teórico é que, não importa se há uma anomalia ou nenhuma anomalia, aprendemos algo novo sobre a natureza. Mais uma vez, é que mais uma vez, mas não há mais, mas que não temos uma nova, mas que não temos, se há mais tempo. física. ”