Comparte esta publicación

El Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. ha publicado por fin los primeros resultados del experimento Muon g-2. Según los expertos, las partículas fundamentales llamadas muones se comportan de una manera que no coincide con la predicción de la mejor teoría de los científicos, el Modelo Estándar de física de partículas. Este resultado histórico, realizado con una precisión sin precedentes, confirma una discrepancia que ha estado quitando el sueño a los investigadores durante décadas.

Puede que la física nos parezca una ciencia compleja, pero la verdad es que la podemos encontrar en cada acto que realizamos en nuestra vida cotidiana. Ejemplos comunes pueden ser la acción de patear una pelota, cocinar un huevo y hasta ver la televisión.

La física puede explicar cada suceso que nos pone en contacto con nuestro entorno y para eso se proyecta sobre cuatro bases fundamentales, la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza fuerte y la fuerza débil. Estas se conocen como las cuatro fuerzas fundamentales con las que todo el universo puede interactuar, incluso las partículas cósmicas.

Ahora el Fermilab y un equipo internacional de 200 científicos experimentales creen haber encontrado posibles indicios de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza. Es importante porque podría ayudar a explicar algunos de los grandes misterios que han inquietado a los científicos en las últimas décadas.

El Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) es un laboratorio de física de altas energías, llamado así en honor al físico Enrico Fermi. Esencialmente se dedica a buscar señales de nuevos fenómenos físicos mediante el estudio de los muones, utilizando un acelerador de partículas. Depende del Departamento de Energía de Estados Unidos y está ubicado en la ciudad de Batavia, Illinois, cerca de Chicago. Este es el segundo mayor acelerador de partículas del mundo tras el del CERN.

El experimento se denomina “Muon g-2” y muestra que las partículas elementales, llamadas ‘muones’, se comportan de una manera que no predice el modelo estándar de la física de partículas, la actual teoría ampliamente aceptada para explicar cómo se comportan los elementos constitutivos del universo. Los primeros resultados han sido publicados este miércoles en la revista Physical Review Letters.

La pieza central del experimento es un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 14 metros de diámetro, que se encuentra en su sala de detectores en medio de bastidores electrónicos, la línea de luz de muones y otros equipos. Foto: Reidar Hahn, Fermilab

Aunque el Modelo Estándar es ampliamente aceptado entre los científicos actuales, no es la primera vez que se propone la posibilidad de que exista una fuerza o alguna partícula que no encaja exactamente con sus leyes. Un importante grupo de la comunidad científica ha venido abonando la idea de que el modelo aún no está completo. Sin embargo, es la primera vez que se realiza un experimento con este grado de precisión y se obtienen datos tan claros de que algo falla.

“Los resultados del experimento “proporcionan una fuerte evidencia de la existencia de una partícula subatómica, o una nueva fuerza que aún no ha sido descubierta”, según comunicó el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido (STFC).

La evidencia de que los muones se comportan de forma distinta a lo predicho por la teoría podría indicar la existencia de “una nueva y emocionante física”, afirmaron los investigadores en un comunicado.

“Hoy es un día extraordinario, largamente esperado no solo por nosotros, sino por toda la comunidad física internacional”, subrayó Graziano Venanzoni, físico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia y uno de los principales científicos del experimento.

¿Qué es un muón?

Un muón es una partícula elemental de corta duración que resultan de la desintegración de los piones creados cuando los protones energéticos chocan contra objetivos sólidos. Se producen normalmente de forma natural cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera de la Tierra, pero los aceleradores de partículas pueden generar muones y en grandes cantidades.

Como un leptón corresponde a la segunda generación, después del el electrón que pertenece a la primera, y antes del tau, que pertenece a la tercera. Es un fermión cuyo spin es la mitad de la constante reducida de Planck y cumple también, como los demás leptones, la simetría CPT con su respectiva antipartícula.

La masa del muon es 206 veces la del su hermano, el electrón, pero más pequeña que un átomo, y no puede descomponerse en partículas más pequeñas, por eso se le llama partícula fundamental.

Al igual que los electrones, los muones actúan como si tuvieran un pequeño imán en su interior. Bajo los efectos de un campo magnético intenso, la dirección de estos imanes precesa, o se bambolea como lo hace el eje de una peonza o un giróscopo. La fuerza del imán interno determina la velocidad a la que el muón precesa en un campo magnético externo y se describe mediante un número que los físicos llaman factor g. Este número se puede calcular con una precisión extremadamente alta.

Al ser tan masivo el muon, su momento magnético resulta comparativamente más pequeño que el del electrón, pero otras contribuciones, particularmente la fuerza nuclear fuerte, son mucho mayores que en el electrón.

Cuando el momento magnético que presenta el electrón no muestra ningún desajuste entre la teoría y el experimento, incluso a más de 1 parte en un trillón, los efectos que serían imperceptibles en el electrón aparecerían en experimentos que contienen muones en niveles aproximadamente de 1 parte en mil millones.

En qué consiste el experimento

El experimento Muon g−2 que se está practicando en el Fermilab, usa la misma técnica de medición que se usó en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) del DOE, que concluyó en 2001 con resultados de menor escala pero con tendencia en el mismo sentido que ahora. El procedimiento parte de enviar un haz de muones a un ritmo de 12 Hz con un momento lineal de 3,094 GeV/c en un anillo de almacenamiento circular de 14,224 metros de diámetro y 44,69 metros de longitud. Revistiendo el anillo hay cientos de sondas que miden, de forma indirecta, cuánto ha precesado cada muón. Esto nos permite inferir el momento magnético y, una vez completado todo el análisis, el factor g para el muón. Los muones viajan conducidos por cuadripolos que rodean el anillo y orientan los muones por una trayectoria circular (el anillo) a velocidades específicas muy altas, sintonizadas con precisión al 99,9416 % de la velocidad de la luz. En reposo, la vida media de un muón es de 2,2 μs, pero con este momento lineal la incrementan a valores de ~ 64,4 μs.

Según las leyes del Modelo Estándar de Partículas, lo que debería haber ocurrido es que los muones se tambalearan a una cierta velocidad. Sin embargo, los científicos descubrieron que los muones se tambaleaban a un ritmo más rápido. Su conclusión es que esto podría deberse a una fuerza de una naturaleza completamente nueva para la ciencia.

“Esta cifra que medimos refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el universo. Pero cuando los teóricos calculan la misma cifra, utilizando todas las fuerzas y partículas conocidas en el modelo estándar, no obtienen la misma respuesta”, explicó Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y encargada de las simulaciones del experimento ‘Muon g-2’. “Esto es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría”, agregó.

“Después de los 20 años que han pasado desde que terminó el experimento de Brookhaven, es muy gratificante poder finalmente resolver este misterio”, dijo el científico del Fermilab Chris Polly, quien es co-portavoz del experimento actual y fue un estudiante graduado líder en el Experimento de Brookhaven.

Resultado de Muon g-2

Este el primer resultado del experimento Muon g-2 que se desarrolla en Fermilab, y confirma el resultado del mismo experimento realizado en el Brookhaven National Lab hace dos décadas. Juntos, los dos resultados muestran una fuerte evidencia de que los muones divergen de la predicción del Modelo Estándar.

El primer resultado del experimento Muon g-2 en Fermilab confirma el resultado del experimento realizado en el Brookhaven National Lab hace dos décadas. Juntos, los dos resultados muestran una fuerte evidencia de que los muones divergen de la predicción del Modelo Estándar. Imagen: Ryan Postel, colaboración Fermilab / Muon g-2

El valor teórico de consenso (aceptado por los científicos) para el muón es [incertidumbre entre paréntesis]:

Factor gSM: 2.00233183620 (86)
Valor teórico aSM del momento magnético anómalo: 0.00116591810 (43)

El nuevo resultado experimental de promedio (combinando los datos de FNAL y BNL) anunciado el miércoles 7 de abril por la colaboración Muon g-2 es:

Factor g: 2.00233184122 (82)
Anomalía medida en el momento magnético de a = (g−2)/2 = 0.00116592061 (41)

La anomalía observada por BNL en 2001 alcanzaba los 2.7 sigmas (o desviaciones estándar), que creció a 3.7 sigmas gracias a mejoras en la estimación teórica. Los nuevos resultados alcanzan los 3,3 sigmas, que combinados con el anterior de 3,7 sigmas, incrementan su significación estadística hasta 4,2 sigmas. Se necesita un nivel de 5 sigmas para que los científicos puedan reclamar su descubrimiento. El avance general del experimento aún no suponen un descubrimiento concluyente porque aún existe una posibilidad de entre 40.000 de que el resultado sea una casualidad.

Los 5 sigmas son un umbral de importancia que la ciencia ha fijado para evitar que los científicos se engañen entre sí mismos. Corresponde a solo una probabilidad de 1 entre 3,5 millones de que cualquier cosa nueva que creamos haber visto sea una casualidad. La manera de alcanzar incertidumbres estadísticas convincentes es agregar mediciones hasta lograr una suficiente disminución de la incertidumbre.

¿Significa este resultado que hay nueva física más allá del modelo estándar?

El Modelo Estándar es por muchas razones, nuestra teoría científica más exitosa de todos los tiempos. En prácticamente todos los casos en los que se han hecho predicciones definitivas sobre lo que debería ofrecer el Universo, el Universo ha cumplido precisamente con lo predicho por el modelo. Hay algunas excepciones, como la existencia de neutrinos masivos, pero más allá de eso, nada ha cruzado el umbral del “estándar de oro” de 5 sigmas que nos permita enarbolar una nueva física, y cuando ha ocurrido, tarde o temprano debió volverse atrás por error sistemático. Una significancia estadística de 4,2 sigmas está cerca, pero no lo pone exactamente donde lo necesitamos.

Otro motivo para observar los resultados con prudencia es que han surgido ciertas dudas sobre la evaluación teórica (la contribución QCD es difícil de calcular hasta el extremo). El esfuerzo teórico que conduzca a confirmar y/o mejorar la predicción teórica puede ser la clave para descubrir si realmente estamos ante la primera señal de una física que exceda al modelo estándar.

“Hasta ahora hemos analizado menos del 6% de los datos que el experimento acabará recogiendo. Aunque estos primeros resultados nos dicen que hay una diferencia intrigante con el modelo estándar, descubriremos mucho más en los próximos años”, dijo el científico del Fermilab, Chris Polly.

Una quinta fuerza fundamental podría ayudar a explicar algunos de los grandes enigmas del universo como por ejemplo el de la expansión del universo. Hasta hoy se le atribuye a un fenómeno misterioso conocido como energía oscura, pero algunos investigadores han sugerido que podría ser evidencia de una quinta fuerza.

Este descubrimiento podría conducirnos a las respuestas sobre alguno de los muchos misterios del universo que siguen sin resolverse.

Más información | Fermilab