Muon g-2 dobra com a medida mais recente explora território inexplorado em busca de nova física

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Muon g-2 dobra com a medida mais recente, explora
território inexplorado em busca de nova física
Os físicos agora têm uma nova medida 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 nos EUA O Fermi
National Accelerator Laboratory, do Departamento de Energia, anunciou a tão esperada medição
atualizada em agosto. 10. Esse novo valor reforça o primeiro resultado que eles anunciaram 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 de
múon em uma precisão melhor do que já foi visto antes”, disse Brendan Casey, cientista sênior do
Fermilab que trabalha no experimento Muon g-2 desde 2008.
Os físicos descrevem como o universo funciona em seu nível mais fundamental com uma teoria
conhecida como Modelo Padrão. Ao fazer previsões baseadas no Modelo Padrão e compará-las a
resultados experimentais, os físicos podem discernir se a teoria está completa – ou se há física além do
Modelo Padrão.
https://muon-g-2.fnal.gov/
https://muon-g-2.fnal.gov/
https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/
https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-standard-model-particle-physics
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Os múons são partículas fundamentais que são semelhantes aos elétrons, mas cerca de 200 vezes mais
massivos. 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 topo giratório. 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 atribuída às interações do múon com partículas em
uma espuma quântica que a rodeia. Essas partículas piscam dentro e fora da existência e, como
“parceiros de dança” subatômicos, agarram a “mão” do múon e mudam a maneira como o muo interage
com o campo magnético. O Modelo Padrão incorpora todas as partículas conhecidas de “parceiros de
dance” 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 do g-2 – e
abririam a janela para explorar a nova física.
O novo resultado experimental, baseado nos três primeiros anos de dados, anunciado pela colaboração
Muon g-2 é:
g-2 - 0.00233184110 +/- 0.000000000000043 (stat.) +/- 0.00000000019 (sincronista.)
A medição do 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 à Physical Review Letters.
Com essa 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-soutor para a colaboração
Muon g-2. “Conseguir a incerteza sistemática para este nível é um grande negócio e é algo que não
esperávamos alcançar tão cedo.”
Embora a incerteza sistemática total já tenha superado a meta do projeto, o aspecto maior da incerteza
– a incerteza estatística – é impulsionado pela quantidade de dados analisados. O resultado anunciado
hoje adiciona mais dois anos de dados ao seu primeiro resultado. O experimento do Fermilab atingirá
sua incerteza estatística final, uma vez que os cientistas incorporem todos os seis anos de dados em
sua análise, que a colaboração visa concluir nos próximos dois anos.
Para fazer a medição, a colaboração Muon g-2 repetidamente enviou um feixe de múons em um anel de
armazenamento magnético supercondutor de 50 pés de diâmetro, onde eles 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 precessor. Os físicos também devem medir com
precisão a força do campo magnético para determinar o valor do g-2.
O experimento do Fermilab reutilizou um anel de armazenamento originalmente construído para o
experimento predecessor Muon g-2 no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, concluído em 2001.
Em 2013, a colaboração transportou o anel de armazenamento a 3.200 milhas de Long Island, Nova
York, para Batavia, Illinois. Nos quatro anos seguintes, a colaboração reuniu o experimento com técnicas
melhoradas, instrumentação e simulações. O principal objetivo do experimento do Fermilab é reduzir a
incerteza do g-2 por um fator de quatro em comparação com o resultado de Brookhaven.
https://muon-g-2.fnal.gov/
https://www.symmetrymagazine.org/article/august-2013/big-move
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“Nossa nova medição é muito emocionante 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 medida g-2 é aprimorada por atualizações para o 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-voz da
Venanzoni. “Estávamos constantemente fazendo o experimento melhor.”
O experimento foi “realmente disparando em todos os cilindros” para os últimos três anos de tomada de
dados, que chegou ao fim em 9 de julho de 2023. É quando a colaboração desligou o feixe de múon,
concluindo o experimento após seis anos de coleta de dados. Eles atingiram o objetivo de coletar um
conjunto de dados que é mais de 21 vezes o tamanho do conjunto de dados de Brookhaven.
Os físicos podem calcular os efeitos dos conhecidos “parceiros de dance” do Modelo Padrão no múon g-
2 com uma precisão incrível. Os cálculos consideram as forças eletromagnéticas, nucleares fracas e
nucleares fortes, incluindo fótons, elétrons, quarks, glúons, neutrinos, bósons W e Z e o bóson de Higgs.
Se o modelo padrão estiver correto, essa predição ultraprecisa deve corresponder à medida
experimental.
Calcular a previsão do modelo padrão para o múon g-2 é muito desafiador. Em 2020, a Muon g-2 Theory
Initiative anunciou a melhor previsão do Modelo Padrão para o múon g-2 disponível naquele momento.
Mas uma nova medição experimental dos dados que alimenta a previsão e um novo cálculo baseado em
uma abordagem teórica diferente – a teoria do medidor de treliça – está em tensão com o cálculo de
2020. Cientistas da Muon g-2 Theory Initiative pretendem ter uma nova previsão aprimorada disponível
nos próximos dois 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 passarão os próximos dois anos analisando os três últimos anos de
dados. “Esperamos outro fator de precisão quando terminarmos”, disse Venanzoni.
A colaboração antecipa a liberação de sua medição final e mais precisa do momento magnético do
múon em 2025 – configurando o confronto final entre a teoria e a experiência do Modelo Padrão. Até
então, os físicos têm uma nova e melhorada medição 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); Fundação Nacional de
Ciência (EUA); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Itália); Conselho de Instalações de Ciência e
Tecnologia (Reino Unido); Royal Society (Reino Unido); Horizonte 2020 da União Europeia; Fundação
Nacional de Ciência Natural da China; MSIP, NRF e IBS-R017-D1 (República da Coreia); e Fundação
Alemãde Pesquisa (DFG).
O Fermilab é o principal laboratório nacional de pesquisa em física de partículas dos Estados Unidos.
Um EUA Laboratório do Departamento de Energia do Escritório de Ciência, Fermilab, está localizado
perto de Chicago, Illinois, e operado sob contrato pela Fermi Research Alliance LLC. Visite o site do
Fermilab em https://www.fnal.gov e siga-nos no Twitter.@Fermilab.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157320302556?via=ihub
https://news.fnal.gov/2020/06/physicists-publish-worldwide-consensus-of-muon-magnetic-moment-calculation/
https://news.fnal.gov/2023/07/what-does-the-standard-model-predict-for-the-magnetic-moment-of-the-muon/
https://muon-g-2.fnal.gov/collaboration.html
https://www.fnal.gov/
https://twitter.com/fermilab
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Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo. Para mais
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