Muon g-2: un estudio histórico desafía el reglamento de la física de partículas
El modelo estándar es una teoría rigurosa que predice el comportamiento de los componentes básicos del universo.
Concepción artística del misterio del momento magnético del muón. (Fuente: Dani Zemba, Universidad Estatal de Pensilvania) Los resultados recientemente publicados de un experimento internacional apuntan a la posibilidad de una nueva física que gobierne las leyes de la naturaleza, dicen los científicos. Los resultados del experimento, que estudió una partícula subatómica llamada muón , no coinciden con las predicciones del Modelo Estándar, en el que se basa toda la física de partículas, y en cambio reconfirman una discrepancia que se había detectado en un experimento 20 años antes. En otras palabras, la física que conocemos no puede explicar por sí sola los resultados medidos. El estudio ha sido publicado en la revista Physical Review Letters.
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¿Qué es el modelo estándar?
El modelo estándar es una teoría rigurosa que predice el comportamiento de los componentes básicos del universo. Establece las reglas para seis tipos de quarks, seis leptones, el bosón de Higgs, tres fuerzas fundamentales y cómo se comportan las partículas subatómicas bajo la influencia de fuerzas electromagnéticas.
El muón es uno de los leptones. Es similar al electrón, pero 200 veces más grande y mucho más inestable, y sobrevive por una fracción de segundo. El experimento, llamado Muon g – 2 (g menos dos), se llevó a cabo en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del Departamento de Energía de EE. UU.
¿De qué se trató este experimento?
Midió una cantidad relacionada con el muón, siguiendo un experimento anterior en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, dependiente del Departamento de Energía de EE. UU. Concluido en 2001, el experimento de Brookhaven arrojó resultados que no coincidían de manera idéntica con las predicciones del Modelo Estándar.
El experimento Muon g – 2 midió esta cantidad con mayor precisión. Intentó averiguar si la discrepancia persistiría o si los nuevos resultados estarían más cerca de las predicciones. Al final resultó que, nuevamente hubo una discrepancia, aunque menor.
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¿Qué cantidad se midió?
Se llama factor g, una medida que se deriva de las propiedades magnéticas del muón. Debido a que el muón es inestable, los científicos estudian el efecto que deja en su entorno.
Los muones actúan como si tuvieran un pequeño imán interno. En un campo magnético fuerte, la dirección de este imán se tambalea, como el eje de una peonza. La velocidad a la que se bambolea el muón se describe mediante el factor g, la cantidad que se midió. Se sabe que este valor está cerca de 2, por lo que los científicos miden la desviación de 2. De ahí el nombre g – 2.
El factor g se puede calcular con precisión utilizando el modelo estándar. En el experimento g-2, los científicos lo midieron con instrumentos de alta precisión. Generaron muones y los hicieron circular en un gran imán. Los muones también interactuaron con una espuma cuántica de partículas subatómicas apareciendo y desapareciendo, como lo describió Fermilab. Estas interacciones afectan el valor del factor g, lo que hace que los muones se muevan un poco más rápido o un poco más lento. La magnitud de esta desviación (esto se llama momento magnético anómalo) también se puede calcular con el modelo estándar. Pero si la espuma cuántica contiene fuerzas o partículas adicionales que no son tomadas en cuenta por el Modelo Estándar, eso modificaría aún más el factor g.
¿Cuáles fueron los hallazgos?
Los resultados, aunque divergen de la predicción del Modelo Estándar, están muy de acuerdo con los resultados de Brookhaven, dijo Fermilab.
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Los valores teóricos aceptados para el muón son:
factor g: 2.00233183620
momento magnético anómalo: 0.00116591810
Los nuevos resultados experimentales (combinados de los resultados de Brookhaven y Fermilab) anunciados el miércoles son:
factor g: 2.00233184122
momento magnético anómalo: 0.00116592061.
¿Qué significa esto?
Los resultados de Brookhaven, y ahora Fermilab, apuntan a la existencia de interacciones desconocidas entre el muón y el campo magnético, interacciones que podrían involucrar nuevas partículas o fuerzas. Sin embargo, no es la última palabra que abre el camino a una nueva física.
Para reclamar un descubrimiento, los científicos requieren resultados que difieran del Modelo Estándar en 5 desviaciones estándar. Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven divergen en 4.2 desviaciones estándar. Si bien esto puede no ser suficiente, es muy poco probable que sea una casualidad: esa probabilidad es de aproximadamente 1 en 40,000, dijo en un comunicado de prensa el Laboratorio Nacional Argonne, también dependiente del Departamento de Energía de EE. UU.
Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría, dijo Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y gerente de simulaciones del experimento Muon g-2, en un comunicado publicado por Fermilab.
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