El magnetismo de los muones podría sugerir una ruptura con el modelo estándar de física

Una misteriosa propiedad magnética de las partículas subatómicas llamadas muones sugiere que pueden estar al acecho nuevas partículas fundamentales sin ser descubiertas.

En un experimento minuciosamente preciso, las rotaciones de muones dentro de un campo magnético parecen desafiar las predicciones del modelo estándar de física de partículas, que describe partículas y fuerzas fundamentales conocidas. El resultado refuerza la evidencia previa de que los muones, los parientes pesados ​​de los electrones, se comportan de manera inesperada.

«Es un gran problema», dice el físico teórico Bhupal Dev de la Universidad de Washington en St. Louis. «Esta podría ser la señal tan esperada de una nueva física que todos hemos esperado».

El mal comportamiento de los muones podría indicar la existencia de nuevos tipos de partículas que alteran las propiedades magnéticas de los muones. Los muones se comportan como pequeños imanes, cada uno con un polo norte y uno sur. La fuerza de ese imán es modificada por partículas cuánticas transitorias que fluctúan constantemente dentro y fuera de la existencia, ajustando el magnetismo del muón en una cantidad conocida como anomalía magnética del muón. Los físicos pueden predecir el valor de la anomalía magnética considerando las contribuciones de todas las partículas conocidas. Si las partículas fundamentales están ocultas, sus efectos adicionales sobre la anomalía magnética podrían revelarlas.

Los muones y los electrones comparten una similitud familiar, pero los muones son unas 200 veces más masivos. Esto hace que los muones sean más sensibles a los efectos de hipotéticas partículas pesadas. «El tipo de muón da en el blanco», dice Aida El-Khadra de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Para medir las sutilezas magnéticas del muón, los físicos lanzaron miles de millones de partículas alrededor del enorme imán en forma de rosquilla del experimento Muon g-2 en Fermilab en Batavia, Illinois. (SN: 19/9/18). Dentro de ese imán, la orientación de los polos magnéticos de los muones oscilaba o precedía. En particular, la tasa de esta precesión ligeramente divergente de las expectativas del modelo estándar, los físicos informan el 7 de abril en un seminario virtualy en un artículo publicado en Cartas de revisión física.

«Este es un experimento muy complejo», dice Tsutomu Mibe de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía KEK en Japón. «Este es un trabajo excelente».

Para evitar sesgos, el equipo trabajó en secreto autoimpuesto, manteniendo el número final oculto a sí mismos mientras analizaban los datos. En el momento en que finalmente se ha revelado la respuesta, dice el físico Meghna Bhattacharya de la Universidad de Mississippi en Oxford, «se me puso la piel de gallina». Los investigadores encontraron una anomalía magnética de muones de 0,00116592040, con una precisión de 46 millonésimas de porcentaje. La predicción teórica establece el número en 0,00116591810. Esta discrepancia «sugiere una nueva física», dice Bhattacharya.

Incluso una medición anterior de este tipo, de un experimento completado en 2001 en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, parecía no estar de acuerdo con las predicciones teóricas (SN: 15/02/01). Cuando el nuevo resultado se combina con la discrepancia anterior, la medición diverge de la predicción con una medición estadística de 4,2 sigma, tentadora cerca del punto de referencia típico de cinco sigma para reclamar un descubrimiento. «Tenemos que esperar más datos del experimento del Fermilab para estar realmente convencidos de que se trata de un descubrimiento real, pero se está volviendo cada vez más interesante», dice el físico teórico Carlos Wagner de la Universidad de Chicago.

Según la física cuántica, los muones emiten y absorben partículas constantemente en un frenesí que hace que los cálculos teóricos de la anomalía magnética sean extremadamente complejos. Un equipo internacional de más de 170 físicos, codirigido por El-Khadra, finalizó el pronóstico teórico en diciembre de 2020 en Informes de física.

Muchos físicos creen que esta predicción teórica es sólida y es poco probable que avance con una mayor investigación. Pero persisten algunos debates. El uso de una técnica computacional llamada celosía QCD para una parte particularmente espinosa del cálculo da como resultado una estimación descendente más cercano al valor medido experimentalmente, el físico Zoltan Fodor y sus colegas informan el 7 de abril Naturaleza. Si el cálculo de Fodor y sus colegas es correcto, «podría cambiar la forma en que vemos el experimento», dice Fodor, de la Universidad Estatal de Pennsylvania, quizás facilitando la explicación de los resultados experimentales con el modelo estándar. Pero señala que la predicción de su equipo necesitaría ser confirmada por otros cálculos antes de ser tomada en serio como la predicción del «estándar de oro».

A medida que los físicos teóricos continúen refinando sus predicciones, las estimaciones experimentales también mejorarán: los físicos de Muon g-2 (pronunciado gee-menos-dos) solo han analizado una fracción de sus datos hasta ahora. Y Mibe y sus colegas están planeando un experimento utilizando una técnica diferente en J-PARC, el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón de Tokai, que comenzará en 2025.

Si se mantiene la discrepancia entre el experimento y la predicción, los científicos tendrán que encontrar una explicación que vaya más allá del modelo estándar. Los físicos ya creen que el modelo estándar no puede explicar todo lo que existe: el universo parece estar impregnado de materia oscura invisible, por ejemplo, que las partículas del modelo estándar no pueden explicar.

Algunos físicos especulan que la explicación de la anomalía magnética del muón puede estar relacionada con los acertijos conocidos de la física de partículas. Por ejemplo, una nueva partícula podría explicar simultáneamente la materia oscura y el resultado de Muon g – 2. O podría haber una conexión con características inesperadas de algunas desintegraciones de partículas observadas en el experimento LHCb en el laboratorio de física de partículas del CERN cerca de Ginebra. (SN: 20/4/17), recientemente reforzado por nuevos resultados publicado en arXiv.org el 22 de marzo.

La medición del Muon g-2 intensificará esas investigaciones, dice Jason Crnkovic, físico de Muon g-2 de la Universidad de Mississippi. «Este es un resultado emocionante porque generará mucha conversación».

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