Un resultado inexplicable en un experimento con muones abre la puerta a una nueva física

Dentro de un armario cerrado con llave, un sobre contenía un número que estaba a punto de sacudir a la comunidad física, independientemente de su contenido. El valor, una medida de reloj deliberadamente escondida para mantener imparcial el análisis de datos de los físicos, se usaría en un cálculo que podría poner fin a uno de los principales misterios de la física de partículas, o hacerlo aún más misterioso. En una videollamada reciente, 170 científicos se reunieron para observar la apertura del sobre.

“Cuando vimos el número en la pantalla, fue una sensación de gran alivio, emoción, orgullo y alegría”, dijo Sudeshna Ganguly, científica asociada de Fermilab. “Tuvimos que desilenciarnos para poder gritar”.

Hoy, el equipo global de científicos del Experimento Muon g- 2 de Fermilab publicó una de las mediciones más esperadas de la física de partículas, que describe el comportamiento del primo más pesado del electrón, el muón, en un campo magnético. Si los estudios adicionales confirman sus resultados, los investigadores se enfrentarán a una discrepancia inexplicable entre su trabajo experimental y la teoría fundamental de la física de partículas, el Modelo Estándar.

Los físicos llevan a cabo mediciones de alta precisión de las propiedades de las partículas como medio para sondear los fundamentos del universo. El momento magnético es una de esas propiedades, que describe cómo las partículas precesan, o se tambalean como una peonza, en presencia de un campo magnético. Las mediciones anteriores en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York insinuaban que las mediciones del momento magnético del muón podrían no coincidir con las predicciones del Modelo Estándar. Hoy, la Muon g- 2 Collaboration anunció que habían medido, con extrema precisión, un valor que concuerda estrechamente con el valor de Brookhaven, en desacuerdo con el Modelo Estándar. En conjunto, las mediciones experimentales no concuerdan con los cálculos del Modelo Estándar por 4,2 desviaciones estándar.

Esta discrepancia no es lo suficientemente fuerte para cumplir con el hito estadístico de cinco desviaciones estándar (llamado “cinco sigma” ) que los físicos de partículas usan para indicar que realmente han descubierto algo. Cinco sigma significa que las probabilidades de que las partículas que siguen las reglas del Modelo Estándar produzcan el valor medido después de la duración del experimento son de alrededor de 1 entre 3,5 millones. En otras palabras, si los experimentadores alcanzaran el nivel de confianza de cinco sigma, entonces podrían estar bastante seguros de que al Modelo Estándar le falta una pieza para explicar el valor g- 2.

La historia de la medición g- 2 se remonta a 1928, cuando el físico Paul Dirac calculó que el momento magnético del electrón, g, era exactamente 2. Sin embargo, búsquedas más profundas en la propiedad por parte de físicos como Julian Schwinger produjeron correcciones calculadas como la diferencia entre g y 2. Luego siguieron experimentos para medir g- 2 para el muón, primero en los Laboratorios Nevis de Columbia y el CERN, y luego en el Laboratorio Nacional Brookhaven, cuya colaboración terminó de tomar medidas en 2001 y dio a conocer sus resultados finales, y pruebas de una discrepancia, en 2004.

Una década más tarde, los científicos del laboratorio nacional se coordinaron para continuar el esfuerzo y mover el frágil anillo de 15 metros del experimento g- 2 de Brookhaven desde Long Island, Nueva York, a Fermilab, en Illinois, primero en una barcaza por el Atlántico y por el Misisipi, y luego en la parte trasera de un camión. Los científicos han estado realizando el experimento en Fermilab desde 2017.

El experimento comienza con protones de los aceleradores de Fermilab disparados contra un objetivo fijo, produciendo más protones y la antipartícula del muón, llamada antimuón (básicamente, un muón que se comporta como su propia imagen especular con la carga opuesta), y otra partícula llamada pión, que se descompone en antimuones. Este rayo de muones corre alrededor del anillo electromagnético del experimento a casi la velocidad de la luz. Mientras tanto, los antimuones comienzan a descomponerse fuera del haz como anti-electrones (también conocidos como positrones) que golpean los detectores. La medición de estos positrones permite a los científicos determinar cómo se comportaban los antimuones en el campo magnético y, por tanto, cuál era el valor g- 2 de los antimuones. Los antimuones son más fáciles de producir que los muones, pero el valor g- 2 sería el mismo para ambos.

La causa de la discrepancia no está clara. “Tal vez sea una partícula difícil de producir” , dijo a Gizmodo Joe Lykken, físico teórico y subdirector de investigación de Fermilab, en una videollamada. Si es así, “ debería aparecer en otro lugar, como las observaciones cósmicas. O tal vez ya aparece en nuestros datos y tenemos que desentrañarlo”. Hay muchos misterios cósmicos y discrepancias sin resolver (materia oscura, la tensión de Hubble o resultados recientes del experimento LHCb del CERN, por nombrar algunos) que los teóricos podrían intentar vincular con la discrepancia del muón g- 2.

Los investigadores de la comunidad de la física de partículas están entusiasmados con la noticia. “El hecho de que dos experimentos independientes vean más de tres desviaciones estándar de la predicción establecida significa que, en lo que a mí respecta, la medición experimental es sólida”, dijo Freya Blekman, profesora de física de partículas elementales en la Universidad Libre de Bruselas, en un mensaje directo de Twitter. “Pero la pelota ahora está realmente en el tejado de los físicos teóricos que están calculando el valor con el que se está comparando”.

Los teóricos han pasado las últimas dos décadas tratando de comprender esta discrepancia y qué podría estar causándola. Algunos se preguntan si la discrepancia es real; un artículo controvertido calculó el valor del muon g- 2 con un método diferente que pareció explicar la discrepancia. Pero incluso ese cálculo, si fuera verificado y aceptado por la comunidad teórica más amplia, introduciría otro conjunto de discrepancias, dijo Chris Polly, co-portavoz del Experimento Muon g- 2. Polly explicó que el experimento del Fermilab sería valioso tanto si la discrepancia era real como si no; cualquier teoría de la física que intente resolver los misterios del universo también debe coincidir con las medidas precisas del equipo.

Por supuesto, la pandemia en curso también desafió a los científicos. Las precauciones en torno al covid-19 limitaron la cantidad de investigadores que podían sentarse dentro de la sala de control del experimento. “Cuando coordinas un experimento en horarios normales, siempre estás en la sala de control y en la sala del experimento diciéndole a la gente qué hacer”, dijo Ganguly. Pero el año pasado se redujo la cantidad de personas que podían ingresar a la sala del experimento y arreglar las cosas cuando se rompieran. “Hacer eso a través de Zoom fue un desafío. Pero al final, tuvimos que hacerlo funcionar”.

El equipo operó a distancia todo lo que pudo, como el carrito que corre dentro del experimento para trazar su campo magnético. Y el distanciamiento social tuvo poco impacto en el análisis de datos; el equipo representa a científicos de países de todo el mundo, ya acostumbrados a realizar gran parte de su trabajo de forma remota, explicó Polly.

Hoy, los investigadores de la Muon g- 2 Collaboration están celebrando, pero tienen mucho trabajo por delante. Mediante nuevos análisis, refinamientos y ejecuciones experimentales, el equipo planea continuar reduciendo el error experimental para calcular un valor de muón g- 2 aún más preciso .

“Hasta ahora, solo hemos analizado el 6% de los datos, y cuando combinamos los resultados de todas las ejecuciones, obtendremos una medición aún mejor”, dijo Ganguly. “Es muy emocionante ser parte de esto”.

Fuente: es.gizmodo.com

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