Los muones que pueden revolucionar la física

Iberoamérica.

Los muones (que toman su nombre de la letra griega µ) son partículas elementales similares a los electrones, con carga negativa como ellos pero con masa 207 veces mayor. Normalmente se crean cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera terrestre, pero además se producen en laboratorios de aceleración de partículas, como el Fermilab del Departamento de Energía de EE UU.

En uno de sus experimentos, llamado Muon g-2, trabaja el equipo científico internacional que el pasado agosto informó de una medida que pone en duda algunos de los planteamientos del modelo estándar, el pilar de la física de partículas actual. El estudio ha sido aceptado en septiembre por la revista Physical Review Letters.

Se trata del valor de una propiedad del muon, el momento magnético anómalo, que enfrenta a los físicos experimentales y teóricos desde hace más de dos décadas. El experimento predecesor de Muon g-2, realizado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (también del Departamento de Energía de EE UU) y que concluyó en 2001, ya ofreció indicios de que el comportamiento de esta partícula no estaba de acuerdo con el modelo estándar.

No es fácil entender el contexto y los entresijos de esta importante discrepancia, pero uno de los miembros de la colaboración Muon g-2, el colombiano David Tarazona, de la Universidad Cornell, lo explica desde el principio: “El muon tiene un imán interno (o espín) que gira cuando se le somete a un campo magnético externo. Por otra parte, debido a fenómenos cuánticos, una jungla de partículas (como los cuarks) emana del espacio vacío alrededor del muon, aniquilándose entre ellas en un tiempo brevísimo”.

“Estas partículas efímeras –continúa–, de las que está hecho el universo en su totalidad tal como lo entendemos hoy, acaban entrometiéndose en la fuerza que el campo magnético intenta ejercer sobre el muon, haciendo girar su espín un poco más rápido por una cantidad proporcional a eso que llamamos momento magnético anómalo o factor g-2 del muon”.

Si no estuvieran esas partículas efímeras, su valor sería igual a cero, pero dado que este no es el caso, la cifra es ligeramente superior. El problema es que no coinciden las medidas del factor g-2 registradas en Fermilab con altísima precisión y las de los físicos teóricos, que también calculan ese número teniendo en cuenta todas las partículas efímeras conocidas.

Muones circulando en un gran anillo

Para obtener los datos, en Fermilab se hacen circular muones (aquí con carga positiva) dentro de un anillo almacenador de aproximadamente 14 metros de diámetro. Los espines de los muones almacenados están alineados entre sí y giran debido al campo magnético que los guía dentro de ese anillo. Al descomponerse, los muones se transforman en parte en positrones (electrones con carga positiva).

La fuerza que rige este decaimiento hace que la cantidad de positrones con más altas energías sea proporcional a la dirección de los espines de los muones. De esta manera, al contar los positrones se puede medir la velocidad de giro del espín y, consecuentemente, el momento magnético anómalo.

“En 2021, anunciamos nuestra medición del factor g-2 del muon con datos recolectados en el año 2018, la cual alcanzó una precisión de 0,46 partes por millón (tan preciso como medir el monte Everest con una incertidumbre de 4 milímetros)”, destaca Tarazona, “y ahora presentamos el análisis de los datos del 2019 y 2020, logrando duplicar la precisión a 0,20 partes por millón. Es la medición más precisa que se ha logrado usando aceleradores de partículas”.

En concreto, este último valor obtenido experimentalmente es de 0,00116592055, mientras que la cifra teórica aceptada oscila en torno a 0,00116591810.

¿En el umbral de nueva física?

Parece una diferencia insignificante, sin embargo, los datos de Fermilab muestran una discrepancia con la teoría de 5 sigmas, lo cual para los científicos es aceptado como un verdadero descubrimiento.

Una desviación de 5 sigmas quiere decir que la probabilidad de obtener ese resultado por pura casualidad o fluctuación estadística (sin intervenir nuevos fenómenos físicos) es inferior a uno entre 3,5 millones.

Por tanto, el resultado obtenido es bastante convincente para apuntar la posibilidad de nueva física, según los autores. Podría estar indicando que los muones interactúan con partículas o fuerzas de la naturaleza desconocidas para la ciencia.

Sin embargo, los físicos teóricos están trabajando para incorporar nuevos métodos o enfoques en sus cálculos y, cuando lo hagan, con predicciones del modelo estándar actualizadas, la discrepancia podría ser menos significativa.

“Se espera que en el 2025 tanto la predicción teórica como nuestra medición en Fermilab del factor g-concluyan”, adelanta Tarazona, “por nuestra parte, esperamos que la precisión de la medición aumente aún más una vez analicemos los datos recolectados en 2021, 2022 y 2023, pero no hay indicios para esperar que el factor g-2 medido hasta ahora cambie”.

“Sin embargo –advierte–, los teóricos formulan predicciones distintas dependiendo del método que utilicen (por guiado de datos, los llamados cálculos del retículo, etc.). Por tanto, una vez esclarezcan su predicción, podremos comparar entre lo que dice la teoría y el experimento para poder concluir por fin si hemos descubierto nueva física o no”.