As descobertas científicas são diferentes - uma descoberta inesperada da radioatividade ou uma longa pesquisa pelo bóson de Higgs previsto. Mas algumas descobertas são confusas quando algumas dicas nos dados indicam medidas futuras que podem levar anos. Agora, a pesquisa científica deste último tipo está apenas acontecendo, o que pode causar grande ressonância na física.
Em fevereiro de 2018, uma colaboração de 190 cientistas trabalhando no
Fermi National Accelerator Laboratory em Illinois começou a usar um conjunto de ímãs de 15 metros de diâmetro para fazer uma das medições mais precisas da história. Neste estudo, chamado de "
experimento ji menos 2 " (g-2), os cientistas vão medir o
momento magnético anômalo de uma partícula subatômica rara, um múon, um parente pesado do elétron. Um múon sozinho pode existir da ordem de 2,2 ppm.
A medição do momento magnético, ou seja, a força do ímã criado pelo múon, foi realizada com um erro de 10
-12 . É o mesmo que medir a distância da Terra ao Sol com um erro de milímetro. Hoje, os valores calculados e medidos não coincidem, e essa diferença pode ser a primeira dica da física fora do Modelo Padrão - a teoria atual que descreve o mundo subatômico.
Essa seria uma grande descoberta, uma vez que os físicos fariam com prazer um buraco na teoria predominante. Isso levaria a um novo modelo científico aprimorado que lida melhor com sua tarefa. E dado que a teoria atual é bastante bem-sucedida, isso realmente impulsionaria nosso conhecimento.
Uma vez em um campo magnético, os múons começam a precessar, ou seja, oscilar de uma certa maneira. Em um campo magnético, podemos medir a frequência de precessão. Essa medida inclui a carga de partículas e o
fator g , usado para distinguir entre certas variantes de teorias. Na teoria clássica, g = 1, e na teoria quântica não-relativística, g = 2.
As medições do fator g para elétrons, que começaram logo após a Segunda Guerra Mundial, mostraram uma ligeira diferença do valor teórico de 2 e deram um resultado experimental de 2,00232. Essa diferença se deve aos efeitos descritos pela teoria da
eletrodinâmica quântica , QED. Concentrando-se na diferença entre teoria e experimento, 0,00232, os pesquisadores pareciam subtrair os dois do resultado, razão pela qual o experimento foi nomeado (g-2).
Na eletrodinâmica quântica, entre outras coisas, estudamos a existência de partículas virtuais, ou o que às vezes é chamado de espuma quântica. As partículas virtuais são um caldo de partículas de matéria e antimatéria que surgem do nada por uma fração de segundo e desaparecem novamente, como se não estivessem lá. Eles aparecem em todos os lugares, mas são especialmente importantes quando aparecem ao lado de partículas subatômicas.
De 1997 a 2001, os pesquisadores do Brookhaven National Laboratory mediram o fator múon g com uma precisão de 12 dígitos significativos e compararam esse resultado com cálculos teóricos da mesma precisão. Os resultados não coincidem. Para entender a importância dessa discrepância, é necessário entender o erro deles. Por exemplo, se você quiser saber qual das duas pessoas é mais alta e o erro em suas medições será de meio metro, é improvável que você chegue a uma conclusão convincente.
A diferença entre os resultados medidos e calculados, dividida pelo erro combinado (o que os cientistas chamam de sigma), é de 3,5. Na física de partículas, um sigma de 3,0 é considerado uma evidência convincente, mas uma verdadeira descoberta requer um valor de 5,0.
Normalmente, seria de esperar que os pesquisadores de Brookhaven melhorassem sua configuração e coletassem mais dados, mas obstáculos intransponíveis estavam no caminho do laboratório. Portanto, os pesquisadores decidiram transferir o anel g-2 para o Fermilab, onde existe um acelerador capaz de fornecer mais múons. O equipamento foi transportado 5.000 km em uma barcaça ao longo da costa leste e subindo o rio Mississippi. Em julho de 2013, chegou ao Fermilab.
Ao longo dos anos, o anel foi completamente atualizado, detectores e componentes eletrônicos aprimorados foram instalados. A nova instalação tem enormes oportunidades. A propósito, os moradores de áreas vizinhas têm a lenda de que os restos de um disco voador caído são armazenados em laboratório. Digamos, de alguma forma, sob a cobertura da noite, um caminhão saiu do laboratório, acompanhado pela polícia, no qual havia uma movimentação de 15 metros sob uma lona.
A colaboração Fermilab g-2 começou seu trabalho. A instalação será iniciada e a gravação de dados começará, que durará até o início de julho.
Que resultado os cientistas podem obter? Se tudo correr como o esperado, e o valor de g medido no Fermilab for o mesmo que o medido em Brookhaven, a diferença nos dados registrados no Fermilab é de 5 sigma. E isso significa uma descoberta.
Por outro lado, o resultado do Fermilab pode não ser o mesmo que em Brookhaven. A nova dimensão pode coincidir com os cálculos e, em seguida, não haverá diferenças.
Mas e se o g-2 fizer uma descoberta? Qual será o resultado provável? Como mencionei anteriormente, o momento magnético anômalo do múon é muito sensível à existência de partículas virtuais próximas. Essas partículas alteram levemente o momento magnético do múon. Além disso, uma coincidência ultraprecisa de medições e cálculos não seria possível se partículas virtuais não existissem.
No entanto, o que é bastante óbvio, apenas partículas virtuais conhecidas foram usadas nos cálculos. Uma explicação possível para a discrepância observada pode ser a existência na espuma quântica de partículas subatômicas adicionais, ainda que desconhecidas.
Vale ressaltar que as descobertas no campo de partículas subatômicas são realizadas há décadas por aceleradores de partículas de alta energia. A famosa equação de Einstein E = mc
2 descreve a identidade de massa e energia. Portanto, para abrir partículas pesadas, é necessária muita energia. Hoje, o Large Hadron Collider do CERN é o acelerador mais poderoso.
No entanto, o método da força bruta para produzir partículas não é a única maneira de estudar a região de alta energia. O princípio da incerteza de Heisenberg diz que mesmo eventos energeticamente "impossíveis" podem ocorrer se a vida útil deles for curta o suficiente. Portanto, é possível que uma partícula virtual, que geralmente não existe, apareça da inexistência por um tempo suficiente para afetar o momento magnético do múon. Nesse caso, uma medição muito precisa pode revelar a existência dessa partícula. Este é apenas o caso quando o bisturi é melhor que uma marreta e, talvez, nesse caso, o experimento g-2 no Fermilab possa pular o LHC.
Mas vale a pena notar que a história da ciência está cheia de casos em que as diferenças no 3 sigma desapareceram após a coleta de dados adicionais. Portanto, não aconselho apostar no resultado dessa medida. Discrepâncias podem vir a ser flutuações estatísticas. No entanto, o g-2 medido em Brookhaven ainda pode ser o primeiro sinal de uma descoberta de mudança de paradigma. Os dados registrados nesta primavera serão analisados no outono e os resultados poderão aparecer ainda este ano. Os resultados da primeira execução do experimento g-2 devem ser esperados com otimismo cauteloso.