Un equipo internacional de 200 científicos del Laboratorio Nacional Fermi de Estados Unidos, más conocido como Fermilab, clama haber encontrado pruebas de que una pequeña partícula subatómica está desobedeciendo las leyes de la física tal y como las conocíamos.
El hallazgo proporcionado por el experimento llamado Muon g-2 sugiere, de manera tentadora, que podría haber formas de materia y energía todavía desconocidas para la ciencia actual.
Los primeros resultados muestran “partículas fundamentales llamadas muones que se comportan de una manera que no es predicha por la mejor teoría de los científicos, el Modelo Estándar de física de partículas”, explican desde el Fermilab en un comunicado. Este “resultado histórico” realizado con “una precisión sin precedentes”, prosiguen, confirma “una discrepancia que ha estado carcomiendo a los investigadores durante décadas”.
“La fuerte evidencia de que los muones se desvían del cálculo del Modelo Estándar podría sugerir una nueva física emocionante”, continúan diciendo el texto. Añaden que los muones actúan como “una ventana” al mundo subatómico y podrían interactuar con partículas o fuerzas aún no descubiertas.
We’re thrilled to announce that the first results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics! #gminus2https://t.co/tUx4ojzIps pic.twitter.com/t1ufui2Mwu
— Fermilab (@Fermilab) April 7, 2021
“Hoy es un día extraordinario, muy esperado no solo por nosotros, sino por toda la comunidad física internacional”, afirma Graziano Venanzoni, co-portavoz del experimento Muon g-2 y físico del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear. “Gran parte del mérito es para nuestros jóvenes investigadores que, con su talento, ideas y entusiasmo, nos han permitido lograr este increíble resultado”.
Un muón es similar al electrón, pero mucho más pesado. De hecho, según indican los investigadores, “es unas 200 veces más masivo”. Los muones se producen naturalmente cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera de la Tierra y los aceleradores del Fermilab pueden producirlos en grandes cantidades -recordemos que se trata del principal laboratorio en EE. UU. para la física de partículas y acoge el segundo mayor acelerador de partículas del mundo tras el del CERN-.
Al igual que los electrones, los muones actúan como si tuvieran un pequeño imán interno: “En un campo magnético fuerte, la dirección del imán del muón se precesa o se bambolea, al igual que el eje de una peonza o un giroscopio. 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 ultra alta”.
A medida que los muones circulan en el imán Muon g-2, también interactúan con una espuma cuántica de partículas subatómicas que aparecen y desaparecen. Las interacciones con estas partículas de vida corta afectan el valor del factor g, lo que hace que la precesión de los muones se acelere o desacelere muy ligeramente. El Modelo Estándar predice este ‘momento magnético’ anómalo con extrema precisión. Pero si la espuma cuántica contiene fuerzas o partículas adicionales que no se tienen en cuenta en el Modelo Estándar, eso alteraría aún más el factor g del muón.
“Esta cantidad que medimos refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el universo. Pero cuando los teóricos calculan la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtenemos la misma respuesta”, dice Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y gerente de simulaciones del Muon g-2. “Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría”.
Ya había indicios previos
El experimento anterior en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, que concluyó en 2001, ofreció indicios de que el comportamiento del muón no estaba de acuerdo con el Modelo Estándar. “La nueva medición del experimento Muon g-2 en Fermilab concuerda fuertemente con el valor encontrado en Brookhaven”, aseguran.
Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con la teoría con una significación de 4,2 sigma, un poco por debajo de los 5 sigma (o desviaciones estándar) que los científicos requieren para reclamar un descubrimiento, pero “aún evidencia convincente de nueva física”, vaticinan. La probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 en 40.000.
El experimento de Fermilab reutiliza el componente principal del experimento de Brookhaven, un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 15 metros de diámetro. En 2013, fue transportado más de 5.000 kilómetros por tierra y mar desde Long Island a los suburbios de Chicago, donde los científicos pudieron aprovechar el acelerador de partículas del Fermilab y producir “el haz de muones más intenso de los Estados Unidos”. Durante los siguientes cuatro años, los investigadores armaron el experimento: sintonizado y calibrado un campo magnético increíblemente uniforme, desarrolló nuevas técnicas, instrumentación y simulaciones y probado a fondo todo el sistema.
En su primer año de funcionamiento, en 2018, el experimento de Fermilab recopiló más datos que todos los experimentos previos de factor g de muones combinados. Con más de 200 científicos de 35 instituciones en siete países, la colaboración Muon g-2 ha terminado de analizar el movimiento de más de 8.000 millones de muones de esa primera ejecución.
“Después de los 20 años que han pasado desde que terminó el experimento de Brookhaven, es muy gratificante estar finalmente resolviendo 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.
El análisis de datos de la segunda y tercera ejecución del experimento está en marcha, la cuarta ejecución está en curso y se planea una quinta ejecución. La combinación de los resultados dará a los científicos una medida aún más precisa de la oscilación del muón, revelando con mayor certeza “si la nueva física se esconde dentro de la espuma cuántica”.
“Hasta ahora hemos analizado menos del 6% de los datos que el experimento eventualmente recopilará. Aunque estos primeros resultados nos dicen que existe una diferencia intrigante con el Modelo Estándar, aprenderemos mucho más en los próximos años”, concluye Polly.
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