Por décadas, físicos têm encarado uma minúscula partícula subatômica chamada múon e sussurrado animadamente sobre uma potencial quinta força da natureza. Agora, uma equipe internacional de pesquisa liderada por um físico da Penn State jogou água fria em todo o caso. Suas descobertas, publicadas na revista Nature, sugerem que a discrepância há muito observada no comportamento magnético do múon não era um sinal de nova física - era apenas um problema de matemática.

O mistério girava em torno do múon, uma partícula de vida curta que é basicamente o primo mais robusto do elétron, pesando cerca de 200 vezes mais. Por mais de 60 anos, medições do momento magnético do múon - o quão fortemente ele age como um pequeno ímã - pareciam discordar das previsões do Modelo Padrão, o livro de regras para todas as partículas e forças fundamentais conhecidas. Essa incompatibilidade fez todos esperarem por partículas não descobertas ou até mesmo uma glamorosa nova "quinta força" além das quatro habituais.

"Houve muitos cálculos nos últimos 60 anos ou mais, e à medida que se tornavam mais precisos, todos apontavam para uma discrepância e uma nova interação que viraria de cabeça para baixo as leis conhecidas da física", disse Zoltan Fodor, distinto professor de física na Penn State e autor principal do estudo. "Aplicamos um novo método para calcular essa quantidade de discrepância, e mostramos que ela não existe. Essa nova interação que esperávamos simplesmente não está lá. As interações antigas podem explicar o valor completamente."

A equipe passou mais de uma década refinando seu cálculo, eventualmente trazendo previsões teóricas e medições experimentais para concordância dentro de menos de meio desvio padrão. O resultado confirma o Modelo Padrão em 11 casas decimais e reduz significativamente as chances de que física desconhecida esteja escondida nesta medição específica.

"As pessoas me perguntam como é fazer essa descoberta e, para ser honesto, me sinto um pouco triste", admitiu Fodor. "Quando começamos a calcular essa quantidade, pensávamos que teríamos um cálculo bom e confiável para uma nova quinta força. Em vez disso, descobrimos que não há quinta força. Encontramos uma prova muito precisa não apenas do Modelo Padrão, mas também da teoria quântica de campos, que é a base sobre a qual o Modelo Padrão foi construído."

A pesquisa focou no momento magnético anômalo do múon, ou g−2, um pequeno desvio do valor esperado de exatamente dois. Como os múons são mais pesados que os elétrons, eles são excepcionalmente sensíveis a efeitos quânticos fugazes - partículas que surgem e desaparecem no espaço vazio. Experimentos no CERN nas décadas de 1960 e 1970, depois no Laboratório Nacional de Brookhaven e mais recentemente no Laboratório Nacional Fermi mediam isso com notável precisão, ganhando o Prêmio Breakthrough em Física Fundamental. Mas os números nunca correspondiam exatamente à teoria - até agora.

A principal dor de cabeça veio da força forte, a mais poderosa das quatro forças conhecidas, que une quarks dentro de prótons e nêutrons. Diferente da gravidade ou do eletromagnetismo, a força forte fica mais forte à medida que as partículas se afastam - como um elástico que aperta quanto mais você puxa. Para prever com precisão o comportamento do múon, a equipe usou cromodinâmica quântica em rede, uma técnica computacional que simula a força forte em supercomputadores dividindo o espaço e o tempo em uma grade extremamente fina.

"A metodologia antiga envolvia coletar milhares de resultados experimentais e reinterpretá-los para obter o número único, o momento magnético do múon", disse Fodor. "Nossa abordagem foi completamente diferente. Dividimos o espaço-tempo em células muito pequenas, uma rede, e então resolvemos as equações do Modelo Padrão nela."

Ao longo da última década, a equipe combinou cálculos de rede para distâncias curtas e médias com medições experimentais altamente confiáveis para distâncias maiores, usando redes mais finas do que estudos anteriores para reduzir a incerteza. O cálculo final representa a determinação mais precisa até agora do momento magnético do múon.