Muon Discovery lleva a los físicos un paso más cerca de la confrontación teórica

El 24 de julio, un gran equipo de investigadores se reunió en Liverpool para revelar un único número relacionado con el comportamiento del muón, una partícula subatómica que puede abrir una puerta a una nueva física para nuestro universo.

Todos los ojos estaban puestos en la pantalla de la computadora cuando alguien escribió un código secreto para publicar los resultados. El primer número que salió fue recibido con indignación: demasiados tiros inquietantes, ay dios mío y qué hemos hecho mal. «Hubo una exhalación colectiva en varios continentes», dijo Kevin Bates, un físico de Virginia Tech que estaba a cinco horas de distancia y casi presente en la reunión, después de hacer el cálculo final. La nueva medida era casi idéntica a la que los físicos habían calculado dos años antes, ahora con el doble de precisión.

Así llega el último hallazgo de Muon g-2 Collaboration, que está realizando un experimento en el Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, en Batavia, Illinois, para estudiar el movimiento de desviación del muón. mediciones, Anunciar al público Y Ha sido enviado a Physical Review Letters El jueves por la mañana, los físicos estaban un paso más cerca de descubrir si hay más tipos de materia y energía que componen el universo de los que se han calculado.

«Todo se reduce realmente a ese solo dígito», dijo Hannah Penney, física del Laboratorio Lincoln del MIT que trabajó en mediciones de muones como estudiante de posgrado.

Los científicos están probando el Modelo Estándar, una gran teoría que incluye todas las partículas y fuerzas conocidas en la naturaleza. Aunque el modelo estándar ha predicho con éxito el resultado de innumerables experimentos, los físicos han tenido durante mucho tiempo la corazonada de que su marco está incompleto. La teoría no logra explicar la gravedad, ni puede explicar la materia oscura (el pegamento que mantiene unido nuestro universo) o la energía oscura (la fuerza que lo mantiene separado).

Una de las muchas formas en que los investigadores buscan física más allá del modelo estándar es estudiando los muones. Como primos más pesados ​​del electrón, los muones son inestables y sobreviven solo dos millonésimas de segundo antes de descomponerse en partículas más ligeras. También actúan como pequeños imanes de barra: coloque el muón en un campo magnético y se balanceará como un trompo. La velocidad de este movimiento depende de una propiedad del muón llamada momento magnético, que los físicos abrevian con el símbolo g.

En teoría, g debería ser exactamente igual a 2. Pero los físicos saben que este valor se ve afectado por la «espuma cuántica» de partículas virtuales que desaparecen y evitan que el espacio vacío esté realmente vacío. Estas partículas que pasan cambian la tasa de oscilación del muón. Al hacer un inventario de todas las fuerzas y partículas en el modelo estándar, los físicos pueden predecir cuánto se compensará g. A esta desviación la llaman g-2.

Pero si hay partículas desconocidas en juego, las mediciones experimentales de g no coincidirán con esta predicción. «Y eso es lo que hace que el estudio del muón sea tan emocionante», dijo el Dr. Penney. «Es sensible a todas las partículas que hay, incluso a aquellas que aún no conocemos». Agregó que cualquier diferencia entre la teoría y el experimento significa que la nueva física está en el horizonte.

Para medir g-2, los investigadores de Fermilab generaron un haz de muones y los dirigieron a un imán en forma de rosquilla de 50 pies de diámetro, cuyo interior estaba lleno de partículas virtuales que han cobrado vida. Mientras los muones corrían alrededor del anillo, los detectores a lo largo de su borde registraron qué tan rápido se tambalearon.

Usando 40 mil millones de muones, cinco veces más datos que los investigadores tenían en 2021, el equipo midió g-2 en 0,00233184110, una desviación de una décima parte de 2. El resultado fue una precisión de 0,2 partes por millón. El Dr. Bates dijo que esto es como medir la distancia entre la ciudad de Nueva York y Chicago con una incertidumbre de solo 10 pulgadas.

«Es un logro asombroso», dijo Alex Keshavarzi, físico de la Universidad de Manchester y miembro de la Colaboración Muon g-2. «Esta es la medición más precisa del mundo jamás realizada en un acelerador de partículas».

Pero aún no se ha determinado si el g-2 medido coincide con la predicción del modelo estándar. Eso es porque los físicos teóricos tienen dos formas de calcular g-2, basadas en diferentes formas de calcular la fuerza fuerte, que mantiene juntos a los protones y neutrones dentro de un núcleo.

El cálculo tradicional se basa en 40 años de intensas mediciones de fuerza realizadas por experimentos en todo el mundo. Con este enfoque, la predicción de g-2 es tan buena como los datos utilizados, dijo Aida Khadra, física teórica de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y presidenta de la iniciativa de la teoría moon-g-2. Ella dijo que las limitaciones empíricas en esos datos podrían hacer que la predicción sea menos precisa.

También ha surgido una tecnología más nueva llamada computación en cuadrícula, que utiliza supercomputadoras para modelar el universo como una cuadrícula de cuatro dimensiones de puntos en el tiempo y el espacio. Al-Khadhra confirmó que este método no se beneficia en absoluto de los datos. Solo hay un problema: genera una predicción g-2 que difiere del método tradicional.

«Nadie sabe por qué estas dos personas son tan diferentes», dijo el Dr. Keshavarzi. «Deberían ser exactamente iguales».

En comparación con una predicción convencional, la última medición de g-2 tiene una variación de más de 5 sigma, lo que corresponde a una probabilidad de 1 en 3,5 millones de que el resultado sea una casualidad, dijo el Dr. Keshavarzi, y agregó que este grado de certeza estaba más allá el nivel requerido para reclamar el descubrimiento. (Esta es una mejora de Resultado 4.2-Sigma en 2021y una medición de 3,7 sigma realizada en el Laboratorio Nacional de Brookhaven cerca del cambio de siglo).

Pero cuando lo compararon con la predicción retinal, dijo el Dr. Keshavarzi, no hubo ninguna discrepancia.

Los experimentos rara vez van más allá de la teoría en física, dijo el Dr. Bates, pero este es uno de esos momentos. “El interés está en la comunidad teórica”, agregó. «Las luces ahora están sobre ellos».

El Dr. Penny dijo: «Estamos al borde de nuestros asientos para ver cómo se desarrolla esta discusión sobre la teoría». Los físicos esperan comprender mejor las predicciones de g-2 para 2025.

Mientras los dos campos teóricos trabajan en ello, los experimentadores perfeccionarán aún más la medición de g-2. Tienen más del doble de la cantidad de datos que quedan por analizar y, una vez que se incluyen, su precisión mejorará por otro factor.

El último hallazgo mueve a los físicos un paso más cerca de confrontar el modelo estándar. Pero incluso si se confirma la nueva física, se necesitará más trabajo para descubrir qué es realmente. El Dr. Keshavarzi dijo que el descubrimiento de lo incompleto de las leyes conocidas de la naturaleza sentará las bases para una nueva generación de experimentos, ya que les dirá a los físicos dónde buscar.

Para el Dr. Bates, que ha pasado casi 30 años ampliando los límites del modelo estándar, probar la existencia de nueva física será un evento de celebración y un recordatorio de todo lo que queda por hacer. «Por un lado, brindarás y celebrarás el éxito, un verdadero avance», dijo. «Pero luego vuelves al trabajo. ¿Cuáles son las próximas ideas en las que podemos trabajar?»