Los muones siguen comportándose mal. Un experimento en los Estados Unidos ha confirmado un hallazgo anterior de que las partículas, primas masivas e inestables del electrón, son más magnéticas de lo que los investigadores esperaban originalmente. Si los resultados se mantienen, en última instancia podrían forzar cambios importantes en la física teórica y revelar la existencia de partículas fundamentales completamente nuevas.
La colaboración de Muon g – 2 en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en las afueras de Chicago, Illinois, informó las últimas mediciones en un webcast el 7 de abril y las publicó en Physical Review Letters. Los resultados son “extremadamente alentadores” para aquellos que esperan descubrir otras partículas, dice Susan Gardner, física de la Universidad de Kentucky en Lexington.
Muon g – 2 (pronunciado “g menos 2”) insinuó por primera vez que algo andaba mal con el muón en 20012, cuando el experimento se estaba llevando a cabo en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York. Los físicos midieron la fuerza del momento magnético de la partícula, una propiedad que la hace actuar como una pequeña barra magnética. El modelo estándar de física de partículas dice que en las unidades apropiadas, el momento magnético del muón debe ser un número muy cercano, pero no igual, a 2. El experimento de Brookhaven midió esa pequeña diferencia, conocida como g – 2, pero encontró que era un poco más grande de lo que los teóricos habían predicho.
El momento magnético de las partículas elementales se ve reforzado por las versiones “virtuales” de las partículas elementales conocidas que continuamente salen del vacío solo para desaparecer una fracción de segundo más tarde. Los físicos realizan cálculos detallados y prolongados de las contribuciones de todas las partículas conocidas, por lo que si los resultados experimentales difieren significativamente del valor predicho de g – 2, razonan que tipos de partículas previamente desconocidos deben estar al acecho en el vacío. El experimento original de Muon g – 2 hizo que muchos físicos esperaran que pronto se descubrirían nuevas partículas.
Frecuencia secreta
Para verificar los resultados de Brookhaven, los investigadores reconstruyeron el experimento, que mantiene a los muones corriendo en círculos alrededor de un imán de anillo superconductor de 15 metros de diámetro, en Fermilab. Comenzaron a recopilar datos en 2018 y ahora han presentado los resultados del primer año de operaciones.
Para evitar sesgar su análisis de datos, la colaboración se había cegado a un parámetro crucial que se necesita para calcular la constante g – 2: la frecuencia exacta de un reloj digital en su instrumentación. A dos físicos del Fermilab que no son miembros de la colaboración se les confió la información que faltaba. Como resultado, el equipo pudo realizar un estudio extenso, pero inicialmente pudo trazar sus hallazgos solo en un gráfico en el que los ejes tenían escalas ligeramente inciertas.
Luego, en una teleconferencia del 25 de febrero que incluyó a la mayoría de los más de 200 miembros del equipo, los dos colíderes del experimento abrieron un sobre que contenía la frecuencia secreta del reloj. Cuando conectaron el número a sus computadoras, reveló el verdadero valor de su medida g – 2. Inmediatamente fue obvio para el equipo que el resultado era consistente con el registrado en Brookhaven hace más de 20 años.
“El acuerdo es excelente”, dice Lee Roberts de la Universidad de Boston en Massachusetts, uno de los miembros originales del equipo Muon g – 2. “La gente aplaudía y saltaba arriba y abajo, todo lo que puedes hacer en Zoom”. Las reacciones de alegría fueron obvias, a pesar de que “muchos de nosotros estábamos en silencio”, agrega Brynn MacCoy, física de la Universidad de Washington en Seattle. El resultado reivindica la afirmación del experimento original, dice Roberts.
Otros físicos están de acuerdo. El último anuncio da “una respuesta clara y agradable” al enigma planteado por los resultados anteriores, dice el físico teórico Gino Isidori de la Universidad de Zurich en Suiza. “El experimento fue correcto”.
Pero aunque la brecha entre los resultados teóricos y experimentales ha aumentado en importancia estadística, todavía no es una prueba inequívoca de la existencia de nuevas partículas. “Aquellos que eran escépticos probablemente seguirán siendo escépticos”, dice Isidori. “En este punto, la pelota está en el campo de los teóricos”, agrega.
Cálculos de quarks
La predicción más aceptada para el momento magnético del muón es un número que la comunidad teórica publicó el año pasado en un documento de “consenso” 3. Pero otro estudio publicado el 7 de abril, esta vez en Nature4, sugiere que la brecha entre la teoría y el experimento podría no ser tan grande como se pensaba.
La parte más difícil de calcular es la contribución de los quarks, los componentes básicos de los protones y neutrones, razón por la cual los físicos tradicionalmente han complementado sus cálculos con datos de experimentos con colisionadores.
En el estudio de Nature, Zoltan Fodor de la Universidad Estatal de Pensilvania en University Park y sus colaboradores recalcularon las contribuciones de los quarks desde cero con una técnica de simulación llamada cromodinámica cuántica reticular (QCD reticular). La técnica no se había incluido previamente en las predicciones g – 2 porque el QCD de celosía no estaba lo suficientemente maduro como para dar resultados de alta precisión. Fodor y su equipo lograron mejorar la precisión y encontraron que g – 2 era mayor que el valor de consenso y mucho más cercano a la medición experimental. Otros equipos de QCD de celosía están trabajando para igualar esa precisión para que la técnica pueda usarse en los cálculos del valor de consenso, dice Aida El-Khadra, física teórica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. “Las otras colaboraciones también están trabajando para reducir sus errores, lo que requiere importantes recursos computacionales”, dice.
Actualizando la física
El equipo de Muon g – 2 ahora está ocupado analizando algunos de los datos más recientes, así como recopilando más. En última instancia, los investigadores esperan que la precisión de su medición mejore cuatro veces. Si la discrepancia resulta ser real, entonces el modelo estándar deberá actualizarse para incluir nuevas partículas. Un problema es que desde 2001, muchas posibles partículas candidatas que podrían haber inflado el momento magnético del muón han sido descartadas en otros experimentos, principalmente por el Gran Colisionador de Hadrones en las afueras de Ginebra, Suiza.
Siguen existiendo muchas teorías que podrían explicar los resultados de Muon g – 2, pero los investigadores las ven como artificiales. “Para mí, no hay una sola explicación que se destaque por ser mucho más elegante o convincente que cualquier otra”, dice Dominik Stöckinger, físico teórico de la Universidad Tecnológica de Dresde en Alemania, miembro de Muon g – 2.
Desde que se montó por primera vez en la década de 1970, el modelo estándar ha pasado todas las pruebas y ha sobrevivido casi sin cambios. Pero los físicos saben que debe estar incompleto y algunos esperan que los muones revelen su primer fallo. “Si confirmamos una diferencia con el modelo estándar, eso es lo que la gente ha estado buscando durante 50 años”, dice Roberts.
Fuente: Nature.
