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El bamboleo de una pequeña partícula podría cambiar las leyes conocidas de la física

El bamboleo de una pequeña partícula podría cambiar las leyes conocidas de la física

Escrito por Dennis Overbye

Cada vez hay más pruebas de que una pequeña partícula subatómica parece estar desobedeciendo las leyes conocidas de la física, anunciaron los científicos el miércoles, un hallazgo que abriría un enorme y tentador agujero en nuestra comprensión del universo.

El resultado, dicen los físicos, sugiere que hay formas de materia y energía vitales para la naturaleza y evolución del cosmos que aún no son conocidas por la ciencia.

“Este es el momento de aterrizaje de nuestro rover en Marte”, dijo Chris Polly, físico del Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, en Batavia, Illinois, quien ha estado trabajando para lograr este hallazgo durante la mayor parte de su carrera.

La partícula célèbre es el muón, que es similar a un electrón pero mucho más pesado y es un elemento integral del cosmos. Polly y sus colegas, un equipo internacional de 200 físicos de siete países, encontraron que los muones no se comportaron como se predijo cuando se dispararon a través de un intenso campo magnético en Fermilab.

El comportamiento aberrante plantea un firme desafío al Modelo Estándar, el conjunto de ecuaciones que enumera las partículas fundamentales en el universo (17, en el último recuento) y cómo interactúan.

«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.

El electroimán Muon g-2 cuando se transporta al nuevo campus de Fermilab en Batavia, Illinois, en 2013 (Cindy Arnold / Fermilab / Departamento de Energía de EE. UU. A través de The New York Times).

Los resultados, el primero de un experimento llamado Muon g-2, coincidieron con experimentos similares en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001 que han molestado a los físicos desde entonces.

En un seminario virtual y una conferencia de prensa el miércoles, Polly señaló un gráfico que muestra un espacio en blanco donde los hallazgos del Fermilab se desviaron de la predicción teórica. «Podemos decir con bastante confianza, debe haber algo que contribuya a este espacio en blanco», dijo. «¿Qué monstruos podrían estar acechando allí?»

“Hoy es un día extraordinario, muy esperado no solo por nosotros sino por toda la comunidad física internacional”, dijo Graziano Venanzoni, portavoz de la colaboración y físico del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, en un comunicado emitido por Fermilab. Los resultados también se publican en una serie de artículos enviados a varias revistas revisadas por pares.

Las mediciones tienen aproximadamente una posibilidad entre 40.000 de ser una casualidad, informaron los científicos, muy por debajo del estándar de oro necesario para reclamar un descubrimiento oficial según los estándares físicos. Las señales prometedoras desaparecen todo el tiempo en la ciencia, pero hay más datos en camino. Los resultados del miércoles representan solo el 6% de los datos totales que se espera que obtenga el experimento de muones en los próximos años.

Durante décadas, los físicos han confiado y han estado sujetos al Modelo Estándar, que explica con éxito los resultados de experimentos con partículas de alta energía en lugares como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Pero el modelo deja sin respuesta muchas preguntas profundas sobre el universo.

La mayoría de los físicos creen que un rico tesoro de nueva física espera ser encontrado, si tan solo pudieran ver más profundo y más lejos. Los datos adicionales del experimento Fermilab podrían proporcionar un gran impulso a los científicos ansiosos por construir la próxima generación de aceleradores de partículas costosos.

Marcela Carena, jefa de física teórica del Fermilab, que no formó parte del experimento, dijo: “Estoy muy emocionada. Siento que este pequeño bamboleo puede sacudir los cimientos de lo que creíamos saber «.

Los muones son una partícula poco probable que ocupe un lugar central en la física. A veces llamados «electrones gordos», se asemejan a las familiares partículas elementales que alimentan nuestras baterías, luces y computadoras y zumban alrededor de los núcleos de los átomos; tienen una carga eléctrica negativa y tienen una propiedad llamada espín, que los hace comportarse como pequeños imanes. Pero son 207 veces más masivas que sus primos más conocidos. También son inestables y se desintegran radiactivamente en electrones y partículas superligeras llamadas neutrinos en 2,2 millonésimas de segundo.

El papel que juegan los muones en el patrón general del cosmos sigue siendo un enigma.

Los muones deben su fama actual a una peculiaridad de la mecánica cuántica, las reglas no intuitivas que subyacen al reino atómico.

Entre otras cosas, la teoría cuántica sostiene que el espacio vacío no está realmente vacío, sino que de hecho está hirviendo con partículas «virtuales» que entran y salen de la existencia.

Este séquito influye en el comportamiento de las partículas existentes, incluida una propiedad del muón llamada momento magnético, representada en ecuaciones por un factor llamado g. Según una fórmula derivada en 1928 por Paul Dirac, el físico teórico inglés y fundador de la teoría cuántica, el factor g de un muón solitario debería ser 2.

Pero los muones no están solos, por lo que la fórmula debe corregirse para el zumbido cuántico que surge de todas las demás partículas potenciales del universo. Eso hace que el factor g para el muón sea más de 2, de ahí el nombre del experimento: Muon g-2.

La medida en que g-2 se desvía de las predicciones teóricas es una indicación de cuánto se desconoce todavía sobre el universo: cuántos monstruos, como dijo Polly, acechan en la oscuridad para que los físicos los descubran.

En 1998, los físicos de Brookhaven, incluida Polly, que entonces era una estudiante de posgrado, se propusieron explorar esta ignorancia cósmica midiendo realmente g-2 y comparándolo con las predicciones.

En el experimento, un acelerador llamado Sincrotrón de gradiente alterno creó haces de muones y los envió a un anillo de almacenamiento de 50 pies de ancho, una pista de carreras gigante controlada por imanes superconductores.

El valor de g que obtuvieron estuvo en desacuerdo con la predicción del Modelo Estándar lo suficiente como para excitar la imaginación de los físicos, pero sin suficiente certeza para afirmar un descubrimiento sólido. Además, los expertos no pudieron ponerse de acuerdo sobre la predicción exacta del Modelo Estándar, enturbiando aún más las esperanzas.

Sin dinero para rehacer el experimento, Brookhaven retiró el anillo de almacenamiento de muones de 50 pies en 2001. El universo quedó colgando.

El anillo Muon g-2, en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Batavia, Illinois, el 28 de agosto de 2017. El anillo opera a menos 450 grados Fahrenheit y estudia la oscilación de los muones a medida que viajan a través del campo magnético. (Reidar Hahn / Fermilab / Departamento de Energía de EE. UU. A través de The New York Times)

El gran movimiento

En Fermilab, se estaba construyendo un nuevo campus dedicado al estudio de los muones.

«Eso abrió un mundo de posibilidades», recuerda Polly en su artículo biográfico. Para entonces, Polly estaba trabajando en Fermilab; instó al laboratorio a rehacer el experimento g-2 allí. Lo pusieron a cargo.

Sin embargo, para realizar el experimento, necesitaban la pista de carreras magnética de 50 pies de Brookhaven. Y así, en 2013, el imán emprendió una odisea de 3.200 millas, principalmente en barcaza, por la costa este, alrededor de Florida y por el río Mississippi, luego en camión a través de Illinois hasta Batavia, hogar de Fermilab.

El experimento comenzó en 2018 con un haz de muones más intenso y el objetivo de recopilar 20 veces más datos que la versión de Brookhaven.

Mientras tanto, en 2020 un grupo de 170 expertos conocido como la Iniciativa Teoría Muon g-2 publicó un nuevo valor de consenso del valor teórico del momento magnético del muón, basado en tres años de talleres y cálculos utilizando el Modelo Estándar. Esa respuesta reforzó la discrepancia original informada por Brookhaven.

En la oscuridad

El equipo tuvo que adaptarse a otra arruga. Para evitar el sesgo humano, y evitar cualquier engaño, los experimentadores participaron en una práctica, llamada cegamiento, que es común en los grandes experimentos. En este caso, el reloj maestro que realiza un seguimiento de la oscilación de los muones se había configurado a una velocidad desconocida para los investigadores. La figura estaba sellada en sobres encerrados en las oficinas de Fermilab y la Universidad de Washington en Seattle.

En una ceremonia el 25 de febrero que se grabó en video y se vio en todo el mundo en Zoom, Polly abrió el sobre del Fermilab y David Hertzog de la Universidad de Washington abrió el sobre de Seattle. El número en el interior se ingresó en una hoja de cálculo, proporcionando una clave para todos los datos, y el resultado apareció en un coro de asombros.

«Eso realmente llevó a un momento realmente emocionante, porque nadie en la colaboración supo la respuesta hasta el mismo momento», dijo Saskia Charity, becaria postdoctoral del Fermilab que ha estado trabajando de forma remota desde Liverpool, Inglaterra, durante la pandemia.

Hubo orgullo de haber logrado realizar una medición tan difícil y luego alegría de que los resultados coincidieran con los de Brookhaven.

«Esto parece ser una confirmación de que Brookhaven no fue una casualidad», dijo Carena, el teórico. «Tienen una oportunidad real de romper el modelo estándar».

Los físicos dicen que la anomalía les ha dado ideas sobre cómo buscar nuevas partículas. Entre ellos se encuentran partículas lo suficientemente livianas como para estar al alcance del Gran Colisionador de Hadrones o su sucesor proyectado. De hecho, es posible que algunos ya se hayan registrado, pero son tan raros que aún no han surgido de la tormenta de datos registrados por el instrumento.

Otro candidato llamado Z-prime podría arrojar luz sobre algunos acertijos del Big Bang, según Gordan Krnjaic, cosmólogo de Fermilab.

El resultado del g-2, dijo en un correo electrónico, podría establecer la agenda para la física en la próxima generación. «Si el valor central de la anomalía observada permanece fijo, las nuevas partículas no pueden esconderse para siempre», dijo. «Aprenderemos mucho más sobre la física fundamental en el futuro».

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