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Experimento de física

El equipo experimental Muon g-2 en Fermilab en Illinois

Reidar Hahn

El extraño comportamiento de una partícula fundamental llamada muón puede indicar la existencia de partículas y fuerzas exóticas más allá del Modelo Estándar de la física. Ya teníamos signos de esta anomalía, pero un nuevo conjunto de mediciones aumentó la probabilidad de que fuera real.

Los muones son partículas cargadas eléctricamente. Cuando se colocan en un campo magnético, comienzan a girar. Los físicos pueden medir la frecuencia de este giro debido a un fenómeno llamado precesión, en el que el eje de giro de la partícula se tambalea ligeramente, por lo que pueden crear lo que se conoce como un diagrama de oscilación.

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La frecuencia a la que gira un muón cuando se expone a un campo magnético está determinada por sus interacciones con otras partículas y fuerzas, representadas por un número llamado factor g. Usando el Modelo Estándar de Física de Partículas, los investigadores pueden predecir con extrema precisión qué tan alto debería ser ese número.

Pero en 2006, los resultados experimentales del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York se desviaron de estas predicciones teóricas: los muones giraban un poco más rápido de lo que deberían. Los resultados no fueron estadísticamente lo suficientemente significativos como para demostrar que el Modelo Estándar era incorrecto, pero eran motivo de preocupación.

Ahora, un nuevo conjunto de experimentos en Fermilab en Illinois ha confirmado las preocupaciones sacadas a la luz por estos resultados anteriores. «Podríamos haber cometido un error en Brookhaven, pero luego Fermilab, que es mucho más sofisticado, podría haber obtenido una respuesta diferente, y no fue así», dice William Morse del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Esta anomalía probablemente se deba a un fenómeno mecánico cuántico llamado partículas virtuales. Estos son pares que consisten en una partícula y su contraparte de antimateria y surgen debido a fluctuaciones cuánticas antes de que desaparezcan nuevamente un momento después. Si bien existen brevemente, pueden afectar el comportamiento de partículas reales como los muones.

Dado que estos pares virtuales son aleatorios y se originan en el propio espacio-tiempo, pueden ser cualquier tipo de partícula. Es posible que algunos ya los conozcamos, por ejemplo, un electrón y su compañero de antimateria, un positrón, otros pueden ser algo más exótico. «No son solo las partículas conocidas las que entran y salen, sino también las que aún no se han descubierto», dice Joe Price de la Universidad de Liverpool, Reino Unido, que forma parte del equipo de Fermilab.

Sin embargo, los modelos con los que predecimos el factor g del muón contienen solo los efectos que se esperan de las partículas virtuales conocidas. Si nuestros experimentos con estos modelos entran en conflicto, sugiere la posibilidad de que otras partículas fuera del Modelo Estándar y fuerzas extrañas también controlen estas partículas.

Los resultados de Fermilab siguen a un anuncio de que los físicos del Gran Colisionador de Hadrones en el laboratorio de física de partículas del CERN cerca de Ginebra, Suiza, han encontrado algo extraño en la forma en que se desintegran los muones. Price dice que los dos podrían estar relacionados. «Tal vez sea la misma física desde un ángulo diferente, o tal vez sea una física diferente».

Al igual que con las mediciones del CERN, no hay datos suficientes para demostrar que debe haber nuevas partículas y fuerzas más allá del Modelo Estándar. Sin embargo, los investigadores de Fermilab solo han evaluado alrededor de una décima parte de los datos de sus experimentos y todavía están recopilando más. Por lo tanto, Price pronto podrá decir si esta anomalía es realmente causada por partículas exóticas o simplemente un artefacto de incertidumbre estadística. Estas mediciones adicionales también pueden ayudarnos a delimitar qué tipos de partículas exóticas podrían existir.

Referencia de la revista: Cartas de examen físico, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.141801

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