Investigando Múons pra Entender o Desequilíbrio entre Matéria e Antimatéria

A busca pelas razões por trás do desequilíbrio entre matéria e antimateria no Universo é um desafio e tanto na ciência. A gente sabe que esse desequilíbrio é o que permite a nossa existência, mas as teorias atuais, especialmente o Modelo Padrão da física de partículas, não explicam tudo. Uma área que os pesquisadores estão explorando são os momentos dipolares elétricos (EDMs) das partículas. Se uma partícula tem um EDM diferente de zero, isso indica que pode haver física nova além do que entendemos hoje.

O experimento muEDM no Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça tem como objetivo medir o EDM dos Múons, que são parecidos com elétrons, mas mais pesados. O experimento está usando uma técnica chamada "spin congelado" que ajuda a medir efeitos minúsculos como o EDM. Guardando os múons em um campo magnético e ajustando um campo elétrico, os pesquisadores conseguem estabilizar os spins dos múons. Se ocorrer uma pequena mudança na direção do spin, isso sugere a presença de um EDM.

A primeira parte do experimento muEDM deve mostrar seus métodos até 2026. Essa fase vai demonstrar se a técnica funciona e quão sensível ela pode ser ao detectar qualquer EDM. O objetivo final do projeto é aumentar sua sensibilidade em um fator de 100 até o começo dos anos 2030.

#A Importância dos EDMs

Encontrar um EDM diferente de zero em múons ou outras partículas é essencial para entender melhor como o nosso Universo funciona. Os efeitos de carga e movimento podem influenciar partículas num nível bem pequeno. O Modelo Padrão prevê que se a simetria CP (carga e paridade) se mantiver, os EDMs devem ser extremamente pequenos, quase zero, nas partículas fundamentais. No entanto, a gente observa que o Universo não está equilibrado, favorecendo a matéria em relação à antimateria, o que exige explicações além do Modelo Padrão.

Com os estudos atuais, o EDM esperado para partículas como o nêutron, elétron e múon é bem baixo. O EDM do elétron é tão pequeno que os cientistas precisam de configurações especiais para procurá-lo. O experimento muEDM é dedicado a procurar um EDM de múons e pode fornecer insights sobre novas físicas que ajudem a explicar o desequilíbrio entre matéria e antimateria observado no Universo.

#A Técnica do Spin Congelado

A técnica do spin congelado é uma maneira esperta de medir o EDM do múon. Os múons são mantidos em um ímã solenoide onde eles se movem de maneira controlada. Ajustando os campos magnético e elétrico, os pesquisadores conseguem minimizar os efeitos causados pelo momento magnético dos múons. Isso permite que os cientistas meçam mais precisamente quaisquer mudanças residuais nos spins dos múons.

Quando as condições estão certas, o campo elétrico age de uma forma que mantém os spins dos múons estáveis enquanto estão em movimento. Se houver um Momento Dipolar Elétrico, isso pode causar uma pequena mudança na direção do spin, que pode ser detectada.

Essa técnica foi projetada para observar efeitos minúsculos que acontecem com o tempo. Quando os múons decaem, eles produzem partículas que podem ser rastreadas. Analisando como essas partículas de decaimento se movem e sua distribuição, os pesquisadores podem coletar dados que podem revelar a existência de um EDM diferente de zero.

#Design Experimental

O experimento muEDM está configurado de um jeito que maximiza as chances de capturar os múons de forma eficaz. A instalação do PSI tem um dos feixes de múons mais intensos disponíveis. Múons com níveis específicos de energia serão levados para um ímã solenoide de três Tesla. O design inclui um campo elétrico que ajuda a manter as condições do spin congelado.

Os múons vão entrar na área experimental por um canal especial. Esse canal garante que apenas os múons alinhados corretamente sejam capturados no solenoide. Detectores vão rastrear os decaimentos dos múons e seus pósitrons emitidos. Esses detectores vão ajudar a montar um quadro preciso de como os múons se comportam nas condições do experimento.

Em uma corrida planejada de um ano, os pesquisadores esperam alcançar um certo nível de sensibilidade na medição do EDM. Esse nível seria muito melhor do que as medições atuais, permitindo uma compreensão mais profunda das propriedades dos múons.

#Experimento Fase 1

Antes do experimento completo começar, uma fase-1 vai acontecer. Esse teste preliminar vai validar as técnicas e configurações planejadas para o experimento principal. Vai usar equipamentos existentes, mas em um nível de energia mais baixo. O objetivo é demonstrar que capturar múons e manter as condições de spin congelado é viável.

Durante o experimento fase-1, os pesquisadores vão usar sistemas de detecção mais simples para analisar os dados. Essa fase tem como meta alcançar uma sensibilidade para EDMs que, embora não esteja na capacidade total, ainda será competitiva com outros experimentos em andamento.

O experimento fase-1 vai incluir detectores adicionais que vão ajudar a garantir medições precisas e controlar incertezas nos dados. Ao estabelecer que esses métodos podem funcionar de forma eficaz, o experimento vai abrir caminho para a fase-2 principal.

#Conclusão

O experimento muEDM representa um passo importante na busca contínua por respostas sobre o desequilíbrio entre matéria e antimateria no Universo. Focando nos momentos dipolares elétricos dos múons através de técnicas inovadoras, os pesquisadores esperam descobrir novos insights sobre as propriedades fundamentais das partículas.

Conforme o projeto avança em suas fases, ele busca estabelecer novos padrões em sensibilidade, que serão cruciais na busca por novas fontes de violação da CP. Se for bem-sucedido, as descobertas podem mudar a nossa compreensão do Universo e das interações que o regem. As futuras fases do experimento prometem avanços que podem superar nosso conhecimento atual e levar a novas físicas.