El reciente experimento de Fermilab, un laboratorio de aceleración de partículas del Departamento de Energía de Estados Unidos, mostró que los resultados de la investigación con Muones, entrega un registro del “Factor G” mayor al que se conocía hasta el momento y podría cambiar elementos actuales de la física que conocemos. ¿Qué quiere decir esto?, ¿Qué repercusiones puede tener?, el docente del Instituto de Física de la PUCV, Dr. Radouane Gannouji, nos explica todo a continuación.

 ¿Qué es un Muón?

El muón es una partícula elemental, prima del electrón, pero 200 veces más pesada y, además, efímera. Tienen las mismas propiedades electromagnéticas: en particular, actúan como pequeños imanes con un momento magnético, cuyo valor fue predicho por el científico británico Paul Dirac en 1927, al combinar la mecánica cuántica y la relatividad especial. En esta descripción aparece una constante g, cuyo valor fue predicho por Dirac, g = 2.

Las primeras determinaciones experimentales a partir de espectros atómicos confirmaron esta predicción para el electrón, pero con la mejora de la precisión de las mediciones apareció una pequeña desviación de una milésima, que se denominó anomalía magnética del electrón. La comprensión de esta anomalía es uno de los primeros grandes éxitos de la electrodinámica cuántica. En 1948, el estadounidense Julian Schwinger calcula el valor de esta anomalía, de acuerdo con el valor observado.

El muón, descubierto en 1936 en los rayos cósmicos, fue sometido a las mismas investigaciones. Primero con la confirmación de la predicción de Dirac en 1957, seguida tres años después por la identificación de una anomalía compatible con la del electrón. Luego, se realizaron experimentos con equipos cada vez más potentes, primero en el CERN en los años 60 y 70, luego en Estados Unidos en Brookhaven hacia el año 2000 y, finalmente, en la actualidad en el Fermilab. Estos trabajos han permitido obtener mediciones cada vez más precisas de la anomalía magnética, es decir, la desviación del valor de g con respecto al número 2, es decir, se mide g-2 (g menos 2), el nombre del experimento del Fermilab.

¿Qué crea esta desviación? 

Las teorías modernas de la física de partículas mezclan la física cuántica y la relatividad especial. Esta última afirma que, si tenemos energía, podemos crear masa, el famoso E = mc². La teoría cuántica, a través del principio de indeterminación de Heisenberg, según el cual, la precisión con la que podemos medir la energía de un estado cuántico es inversamente proporcional al tiempo de observación, implica que pueden producirse violaciones de la conservación de la energía en tiempos muy cortos.

En estas condiciones, se pueden tener fluctuaciones de energía en el vacío. Combinando estas dos nociones, tenemos energía que puede transformarse en masa y, por tanto, en partículas.  El vacío crea esta energía durante un tiempo muy breve y luego la recupera. No creamos realmente estas partículas, no podríamos recuperarlas, observarlas: son virtuales. Pero tienen un efecto ("feedback"), de modo que modifican ligeramente el proceso explorado. Así, estas partículas virtuales tendrán un efecto visible si la precisión del experimento es suficiente. En este caso, afectan al momento magnético del muón. Si encontramos un desacuerdo entre la predicción del modelo estándar y el experimento del Fermilab, podría significar que, en esta nube de partículas virtuales que fluctúan alrededor del muón, hay algunas que nunca hemos visto antes.

El experimento que lleva por nombre Muon g-2, analiza el comportamiento de los muones, partículas subatómicas que existen por solo fracciones de segundo y que según recientes resultados podría dar luces de fuerzas en la naturaleza que aún no conocemos.

¿Cuáles fueron los resultados de este experimento?

Los resultados anunciados por los físicos del Fermilab el 7 de abril [1], dictaminaron una gran diferencia entre el valor medido de g y el valor teórico.  Este es un primer resultado muy importante. El hecho de que coincida con el anterior experimento de Brookhaven es una buena noticia: ese experimento ya había encontrado una discrepancia con el valor teórico. La precisión actual de la predicción y medición de la anomalía magnética de los muones es inferior a cinco décimas de millonésima, y la discrepancia entre el valor teórico y el experimental se sitúa en el nivel de treinta décimas de millonésima. Esto muestra el nivel de sensibilidad necesario para desafiar el modelo estándar de la física de partículas.

El equipo del Fermilab ha conseguido reducir el error sistemático en comparación con el experimento de Brookhaven, gracias sobre todo a la medición muy precisa de los campos magnéticos utilizados en su dispositivo. Al final de este experimento, dentro de unos años, cuando hayan finalizado la recogida de datos y su análisis completo, la incertidumbre en la medición del momento magnético debería reducirse en un factor de aproximadamente tres en comparación con la actual.

¿Cómo se ha construido la parte teórica del fenómeno, que ha servido de valor de referencia para compararlo con el del experimento?

Un gran número de investigadores [2] se reunió para calcular el valor teórico con la mayor precisión posible, que se publicó en un articulo en 2020. Este es el valor de referencia utilizado por el experimento del Fermilab. Es necesario tener en cuenta todas las contribuciones de la teoría cuántica de campos. Gracias a esta teoría, se entiende bien la contribución electromagnética de las partículas virtuales que rodean al muón y afecta a su momento magnético. La contribución de la interacción electrodébil es bien conocida, es pequeña, pero hay que tenerla en cuenta para la predicción. Lo que es problemático es la contribución hadrónica, la de la interacción fuerte, que implica a los pares quark-antiquark y a los gluones, las partículas elementales que forman los hadrones (como los protones y los neutrones). Un muón no siente la interacción fuerte, ya que no es un hadrón, pero puede emitir fotones virtuales, que pueden producir todos los pares de partículas y antipartículas cargadas que existen, así los pares quark-antiquark.

Imaginemos un muón que emite un fotón virtual. Éste es capaz de crear, durante un tiempo muy breve, un par quark-antiquark que generará hadrones, pronto reabsorbidos en un fotón a su vez reabsorbido, y el muón quedará inalterado en fino. Pero durante este corto periodo de tiempo, estas partículas virtuales han modificado el momento magnético del muón en interacción con el campo magnético. Desgraciadamente, utilizando la teoría de campos, no se puede calcular esta contribución con los métodos habituales. La teoría de la interacción fuerte se vuelve altamente no lineal.

Estos teóricos utilizaron un truco para sortear este problema: si conocíamos muy bien la probabilidad de que un fotón pudiera crear un par quark-antiquark y convertirse en hadrones, podíamos retroalimentar este conocimiento en el cálculo teórico de la contribución hadrónica a la anomalía. Sabemos esta probabilidad gracias a los datos experimentales obtenidos en colisionadores de electrones y positrones. Por lo tanto, esta predicción teórica implica tantos cálculos teóricos como mediciones de precisión obtenidas en varios laboratorios de todo el mundo.

¿Así que la teoría es clara sobre la predicción?

No. Además de esta teoría, hay otro enfoque [3]. Consiste en calcular la contribución hadrónica dominante al momento magnético sólo a partir de las ecuaciones del modelo estándar de la física de partículas. Estos cálculos simulan directamente la teoría cuántica de los campos relativistas. Esto se llama cromodinámica cuántica de celosía. Se trata de cálculos enormes que llevan cientos de millones de horas en supercomputadores. Según estos cálculos realizados en los mejores supercomputadores de Europa, el valor teórico y el valor experimental son cercanos. Esto sugiere que el modelo estándar no está en cuestión por el momento. Es imprescindible que los cálculos teóricos sean verificados por otros equipos para confirmar o no este resultado. La situación está lejos de ser clara y los próximos años serán cruciales para el destino del modelo estándar. 

Si bien los resultados son alentadores, aún no se puede hablar de datos definitivos, por lo que es necesario continuar las investigaciones para determinar si estamos ante la presencia de una quinta fuerza fundamental o una nueva partícula subatómica.

 Referencias:
[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157320302556
[3] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03418-1

Fuente Facultad de Ciencias