Después de una espera de dos décadas, que incluyó una larga batalla por la financiación y un movimiento en la mitad de un continente, un experimento reiniciado con el muón, una partícula similar al electrón pero más pesada e inestable, revelará sus resultados. Los físicos esperan mucho que la última medición del magnetismo del muón, que se publicará el 7 de abril, confirmará hallazgos anteriores que podrían conducir al descubrimiento de nuevas partículas.

El muon GRAMO – 2 experimentos, ahora realizados en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en Batavia, Illinois, se realizaron por primera vez entre 1997 y 2001 en el Brookhaven National Laboratory en Long Island, Nueva York. Los resultados originales, anunciados en 2001 y completados en 2006, indicaron que el momento magnético del muón, una medida del campo magnético que genera, es ligeramente mayor de lo que se predijo teóricamente. Esto causó sensación entre los físicos y provocó controversia. Si estos resultados se confirman finalmente, en el anuncio de la próxima semana o mediante experimentos futuros, podrían revelar la existencia de nuevas partículas elementales y cambiar la física básica. «Todo el mundo está nervioso», dice Aida El-Khadra, física teórica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Medidas magneticas

Muon GRAMO– 2 mide el momento magnético del muón moviendo las partículas en un círculo con un diámetro de 15 metros. Un imán fuerte mantiene a los muones en su órbita y al mismo tiempo permite que su eje magnético norte-sur gire. Cuanto más fuerte es el momento magnético de las partículas, más rápido gira el eje. “Lo que medimos es la velocidad a la que gira el muón en el campo magnético, como un [spinning] Eso es todo ”, dice Lee Roberts, físico de la Universidad de Boston en Massachusetts que trabajó en MuonGRAMO – 2 y su predecesor desde 1989.

La desviación de las expectativas teóricas que dio el experimento original fue pequeña, pero lo suficientemente grande como para causar revuelo entre los teóricos. Como primera aproximación, la física cuántica predice que las partículas elementales como el muón y el electrón tienen un momento magnético de exactamente 2 (en unidades de medida que dependen de la partícula). Sin embargo, un cálculo más completo revela una desviación de este valor perfecto causada por el hecho de que el espacio vacío nunca está realmente vacío. El espacio alrededor de un muón está lleno de “partículas virtuales”, versiones de corta duración de partículas reales que aparecen y desaparecen continuamente en el vacío, que alteran el campo magnético del muón.

Cuantos más tipos de partículas haya, más influyen sus versiones virtuales en el momento magnético. Esto significa que una medición de alta precisión podría proporcionar evidencia indirecta de la existencia de partículas previamente desconocidas. «Básicamente, estamos midiendo un número que es la suma de todo lo que tiene la naturaleza», dice Roberts.

El momento magnético resultante es solo ligeramente diferente de 2, y esta pequeña diferencia se conoce comúnmente como GRAMO – 2. Los físicos encontrados en Brookhaven GRAMO – 2 debe ser 0,0023318319. En ese momento, esto era un poco más grande que las mejores estimaciones de los teóricos sobre las contribuciones de las partículas virtuales conocidas.

La precisión de la medición no fue lo suficientemente alta como para decir con certeza que la discrepancia era real, pero fue lo suficientemente grande como para causar entusiasmo. Los resultados también llegaron en un momento en que el campo parecía estar preparado para una fase explosiva de descubrimiento. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) estaba en construcción en la frontera suizo-francesa, y los teóricos creían que descubriría docenas de nuevas partículas. Aparte del descubrimiento histórico del bosón de Higgs en 2012, el LHC no encontró otras partículas elementales. Además, sus datos descartaron muchos candidatos potenciales para partículas virtuales que podrían haber inflado el momento magnético del muón, dice Michael Peskin, físico teórico del SLAC National Accelerator Laboratory en Menlo Park, California.

Sin embargo, el LHC no descartó todas las posibles explicaciones de la discrepancia, dice Peskin. Entre ellos, dice el físico teórico Dominik Stöckinger de la Universidad de Dresde en Alemania, no hay solo un tipo de bosón de Higgs, sino al menos dos.

Teoría en evolución

En el momento del experimento de Brookhaven, el valor experimental del momento magnético del muón tuvo que compararse con las predicciones teóricas, que a su vez estaban asociadas con incertidumbres relativamente grandes. Pero mientras que la mejor medida experimental de GRAMO – 2 no ha cambiado en 15 años, la teoría ha evolucionado. El año pasado, una gran colaboración copresidida por El-Khadra reunió a varios equipos de investigación, cada uno especializado en un tipo de partícula virtual, y publicó un valor de consenso para la constante fundamental. La discrepancia entre los valores teóricos y experimentales no se movió.

También el año pasado, un equipo llamado Colaboración Budapest-Marsella-Wuppertal publicó una preimpresión que sugería un valor teórico para GRAMO – 2 más cerca de lo experimental. El equipo se centró en una fuente de incertidumbre particularmente persistente en teoría derivada de versiones virtuales de gluones, las partículas que transportan la fuerza nuclear fuerte. Si sus resultados son correctos, la brecha entre la teoría y el experimento puede resultar inexistente. Los resultados preliminares, que se están examinando actualmente para su publicación, «causaron un gran revuelo» y han sido objeto de acalorados debates desde entonces, dice El-Khadra.

Es posible que los resultados, que se publicarán el 7 de abril, aún no resuelvan el problema. En última instancia, gracias a la actualización del dispositivo, el equipo espera una mejora en la precisión de GRAMO – 2 cuatro veces en comparación con el experimento de Brookhaven. Sin embargo, hasta ahora, solo se ha analizado un año de los datos recopilados desde 2017, lo que no es suficiente para reducir la tasa de error que para el experimento de Brookhaven. Sin embargo, Roberts dice que si la medición se acerca a la original, la confianza en ese resultado mejorará.

Si Fermilab finalmente confirma la sorpresa de Brookhaven, la comunidad científica probablemente buscará una confirmación independiente adicional. Esto podría deberse a una técnica experimental desarrollada en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC) cerca de Tokai que mediría el momento magnético del muón de una manera radicalmente diferente.

Cobertura adicional de Elizabeth Gibney.

Este artículo se ha reproducido con permiso y se publicó por primera vez el 30 de marzo de 2021.

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