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Os físicos agora têm uma medição totalmente nova de uma propriedade do múon chamada momento magnético anômalo, que melhora a precisão de seu resultado anterior por um fator de 2.
Uma colaboração internacional de cientistas que trabalham no experimento Muon g-2 no Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA anunciou a tão esperada medição atualizada em 10 de agosto. Esse novo valor reforça o primeiro resultado anunciado em abril de 2021 e estabelece um confronto entre teoria e experimento ao longo de 20 anos em construção.
“Estamos realmente sondando um novo território. Estamos determinando o momento magnético do múon com uma precisão melhor do que nunca”, disse Brendan Casey, cientista sênior do Fermilab que trabalhou no experimento Muon g-2 desde então. 2008.
Os físicos descrevem como o universo funciona em seu nível mais fundamental com uma teoria conhecida como Modelo Padrão. Ao fazer previsões com base no Modelo Padrão e compará-las com resultados experimentais, os físicos podem discernir se a teoria está completa ou se existe física além do Modelo Padrão.
Múons são partículas fundamentais semelhantes aos elétrons, mas cerca de 200 vezes mais massivas. Como os elétrons, os múons têm um minúsculo ímã interno que, na presença de um campo magnético, precede ou oscila como o eixo de um pião. A velocidade de precessão em um determinado campo magnético depende do momento magnético do múon, tipicamente representado pela letra g; no nível mais simples, a teoria prevê que g deve ser igual a 2.
A diferença de g de 2 — ou g menos 2 – pode ser atribuído às interações do múon com partículas em uma espuma quântica que o envolve. Essas partículas surgem e desaparecem e, como “parceiros de dança” subatômicos, agarram a “mão” do múon e mudam a maneira como o múon interage com o campo magnético. O Modelo Padrão incorpora todas as partículas conhecidas de “parceiros de dança” e prevê como a espuma quântica muda g. Mas pode haver mais. Os físicos estão entusiasmados com a possível existência de partículas ainda não descobertas que contribuem para o valor de g-2 — e abriria a janela para explorar a nova física.
O novo resultado experimental, baseado nos primeiros três anos de dados, anunciado pela colaboração Muon g-2 é:
g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (stat.) +/- 0,00000000019 (sist.)
A medida de g-2 corresponde a uma precisão de 0,20 partes por milhão. A colaboração Muon g-2 descreve o resultado em um artigo que eles enviaram hoje para Cartas de revisão física.
Com esta medição, a colaboração já atingiu seu objetivo de diminuir um tipo particular de incerteza: a incerteza causada por imperfeições experimentais, conhecidas como incertezas sistemáticas.
“Esta medição é uma conquista experimental incrível”, disse Peter Winter, co-porta-voz da colaboração Muon g-2. “Baixar a incerteza sistemática a este nível é um grande negócio e é algo que não esperávamos alcançar tão cedo”.
Embora a incerteza sistemática total já tenha ultrapassado a meta do projeto, o aspecto maior da incerteza – incerteza estatística – é impulsionado pela quantidade de dados analisados. O resultado anunciado hoje acrescenta mais dois anos de dados ao primeiro resultado. O experimento do Fermilab atingirá sua incerteza estatística máxima assim que os cientistas incorporarem todos os seis anos de dados em suas análises, que a colaboração pretende concluir nos próximos dois anos.
Para fazer a medição, a colaboração Muon g-2 enviou repetidamente um feixe de múons para um anel de armazenamento magnético supercondutor de 15 metros de diâmetro, onde circularam cerca de 1.000 vezes quase à velocidade da luz. Os detectores que revestem o anel permitiram aos cientistas determinar a rapidez com que os múons estavam em precessão. Os físicos também devem medir com precisão a força do campo magnético para determinar o valor de g-2.
O experimento do Fermilab reutilizou um anel de armazenamento construído originalmente para o experimento predecessor Muon g-2 no Brookhaven National Laboratory do DOE, concluído em 2001. Em 2013, a colaboração transportou o anel de armazenamento por 3.200 milhas de Long Island, Nova York, para Batavia, Illinois. Nos quatro anos seguintes, a colaboração montou o experimento com técnicas, instrumentação e simulações aprimoradas. O principal objetivo do experimento do Fermilab é reduzir a incerteza de g-2 por um fator de quatro em comparação com o resultado de Brookhaven.
“Nossa nova medição é muito empolgante porque nos leva muito além da sensibilidade de Brookhaven”, disse Graziano Venanzoni, professor da Universidade de Liverpool, afiliado ao Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, Pisa, e co-porta-voz do experimento Muon g-2. no Fermilab.
Além do conjunto de dados maior, esta última medição de g-2 é aprimorada por atualizações do próprio experimento do Fermilab. “Melhoramos muitas coisas entre nosso primeiro ano de coleta de dados e nosso segundo e terceiro ano”, disse Casey, que recentemente terminou seu mandato como co-porta-voz de Venanzoni. “Estávamos constantemente melhorando o experimento.”
O experimento estava “realmente disparando em todos os cilindros” nos últimos três anos de coleta de dados, que terminou em 9 de julho de 2023. Foi quando a colaboração desligou o feixe de múons, concluindo o experimento após seis anos de coleta de dados. . Eles atingiram o objetivo de coletar um conjunto de dados com mais de 21 vezes o tamanho do conjunto de dados de Brookhaven.
Os físicos podem calcular os efeitos dos conhecidos “parceiros de dança” do Modelo Padrão no muon g-2 com uma precisão incrível. Os cálculos consideram as forças eletromagnética, nuclear fraca e nuclear forte, incluindo fótons, elétrons, quarks, glúons, neutrinos, bósons W e Z e o bóson de Higgs. Se o Modelo Padrão estiver correto, essa previsão ultraprecisa deve corresponder à medição experimental.
Calcular a previsão do Modelo Padrão para muon g-2 é muito desafiador. Em 2020, a Muon g-2 Theory Initiative anunciou a melhor previsão do Modelo Padrão para muon g-2 disponível na época. Mas uma nova medição experimental dos dados que alimentam a previsão e um novo cálculo baseado em uma abordagem teórica diferente – a teoria do medidor de rede – estão em tensão com o cálculo de 2020. Os cientistas da Iniciativa da Teoria Muon g-2 pretendem ter uma previsão nova e aprimorada disponível nos próximos anos, que considere ambas as abordagens teóricas.
A colaboração Muon g-2 compreende cerca de 200 cientistas de 34 instituições em sete países e inclui quase 40 estudantes até agora que receberam seus doutorados com base em seu trabalho no experimento. Os colaboradores agora passarão os próximos dois anos analisando os últimos três anos de dados. “Esperamos outro fator de dois em precisão quando terminarmos”, disse Venanzoni.
A colaboração prevê o lançamento de sua medição final e mais precisa do momento magnético do múon em 2025 – estabelecendo o confronto final entre a teoria e o experimento do Modelo Padrão. Até então, os físicos têm uma medição nova e aprimorada do múon g-2, que é um passo significativo em direção ao seu objetivo final da física.
O experimento Muon g-2 é apoiado pelo Departamento de Energia (EUA); National Science Foundation (EUA); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Itália); Conselho de Instalações Científicas e Tecnológicas (Reino Unido); Royal Society (Reino Unido); Horizonte 2020 da União Europeia; Fundação Nacional de Ciências Naturais da China; MSIP, NRF e IBS-R017-D1 (República da Coreia); e Fundação Alemã de Pesquisa (DFG).
Vídeo: https://youtu.be/hkHd_wxMfrs
Gravação do seminário científico realizado em 10 de agosto de 2023
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