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1 de Abril de 2021
Física de partículas

Máxima expectación ante un experimento de física de muones

Los físicos conocerán pronto una nueva medición del momento magnético del muon. La confirmación de un intrigante resultado obtenido hace 20 años podría apuntar a la existencia de nuevas partículas elementales.

Las partículas virtuales asociadas al vacío cuántico influyen en la manera en que el muon interacciona con los campos magnéticos. Medir esa interacción con detalle podría aportar indicios de la existencia de nuevas partículas elementales en la naturaleza. [Pete Linforth/Pixabay]

Tras dos décadas de espera, una larga lucha por la financiación y un traslado a través de medio continente, un ambicioso experimento sobre las propiedades del muon (una partícula elemental casi idéntica al electrón, pero inestable y 200 veces más masiva) está a punto de desvelar sus resultados. Los físicos albergan la esperanza de que los próximos datos sobre las características magnéticas de esta partícula, que se darán a conocer el próximo 7 de abril, confirmen un hallazgo de 2001 que podría indicar la existencia de nuevas partículas elementales.

El experimento Muon g – 2, que ahora tiene su sede en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), cerca de Chicago, funcionó entre 1997 y 2001 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York. Los primeros resultados, anunciados en 2001 y completados en 2006, encontraron que el momento magnético del muon (una medida del campo magnético asociado a la partícula) era ligeramente mayor de lo que predecía la teoría: un hito que causó sensación y que generó controversia entre los físicos.

Si tales resultados se confirmasen —ya sea la semana que viene o en futuros experimentos—, podrían constituir un indicio de la existencia de nuevas partículas elementales, algo que pondría patas arriba la física fundamental. «Todo el mundo está ansioso», reconoce Aida El-Khadra, física teórica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

El reto experimental

En el experimento Muon g – 2 se hacen circular muones a través de un anillo de unos 15 metros de diámetro. Un potente imán los mantiene en su trayectoria circular y, al mismo tiempo, hace girar el eje magnético de las partículas. La rapidez con que se produce dicho giro depende de su momento magnético, lo que permite determinar su valor. «Lo que medimos es la velocidad a la que el muon gira en un campo magnético, como si fuera una peonza que sigue un movimiento de precesión», explica Lee Roberts, físico de la Universidad de Boston que ha trabajado en el experimento Muon g – 2 y en su predecesor desde 1989.

La discrepancia con respecto a las expectativas teóricas que observó la instalación original era minúscula. No obstante, fue lo suficientemente grande para causar revuelo entre los físicos teóricos.

En una primera aproximación, las leyes cuánticas dictan que, en las unidades adecuadas, las partículas elementales como el muon y el electrón han de tener un momento magnético exactamente igual a 2. Sin embargo, un cálculo más preciso revela una desviación con respecto a dicho valor. Esa desviación se debe al efecto de las partículas virtuales, versiones efímeras de las partículas reales que aparecen y desaparecen constantemente en el espacio que rodea al muon, lo que modifica su momento magnético.

Cuantos más tipos de partículas elementales existan en la naturaleza, mayor será el efecto de sus versiones virtuales sobre el momento magnético del muon. Eso significa que una medición muy precisa de este parámetro podría aportar una prueba indirecta de la existencia de nuevas partículas. «Básicamente, lo que estamos midiendo es un número que es la suma de todo lo que hay en la naturaleza», apunta Roberts.

Según los datos experimentales y las predicciones teóricas, el momento magnético resultante es algo mayor que 2, y esa diferencia es lo que los físicos denotan como g – 2. En Brookhaven, los investigadores hallaron que g – 2 valía 0,0023318319; una cifra que, en aquel momento, era ligeramente superior a la que arrojaban los mejores cálculos teóricos basados en las contribuciones virtuales de las partículas conocidas.

La precisión de aquel resultado no era lo suficientemente elevada para afirmar con seguridad que había un desacuerdo entre el experimento y las predicciones teóricas. Sin embargo, sí fue lo bastante grande para entusiasmar a los físicos. Los datos llegaron en un momento en el que muchos investigadores esperaban una explosión de descubrimientos. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN se estaba construyendo cerca de Ginebra, y muchos pensaban que, una vez en marcha, la instalación sacaría a la luz decenas de nuevas partículas.

Sin embargo, aparte del histórico descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, el LHC no ha encontrado ninguna otra partícula elemental. No solo eso, sino que sus datos han descartado la existencia de varios tipos de partículas que podrían haber «inflado» el momento magnético del muon, explica Michael Peskin, físico teórico del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, en California.

Con todo, el LHC no ha descartado aún todas las posibles explicaciones de la discrepancia, añade Peskin. Dominik Stöckinger, físico teórico de la Universidad de Dresde, observa que una de esas posibilidades es que no haya un único bosón de Higgs, sino al menos dos.

El reto teórico

En la época del experimento de Brookhaven, el valor experimental del momento magnético del muon debía compararse con unas predicciones teóricas que, a su vez, adolecían de incertidumbres relativamente grandes. Pero, mientras que las mediciones empíricas no han cambiado en 15 años, los cálculos teóricos sí han avanzado. El año pasado, una gran colaboración copresidida por El-Khadra reunió a varios grupos de investigadores, cada uno especializado en un tipo de efecto virtual, y publicó un valor teórico «de consenso» para el momento magnético del muon. La discrepancia entre las medidas experimentales y dicho valor teórico persistió.

También el año pasado, un grupo conocido como colaboración Budapest-Marsella-Wuppertal anunció en una prepublicación un valor teórico para g – 2 más cercano a los datos experimentales. El equipo se centró en una fuente de incertidumbre particularmente tenaz, la debida a las partículas virtuales asociadas a la interacción nuclear fuerte. Si sus resultados son correctos, la discrepancia entre teoría y experimento podría resultar inexistente. Su trabajo, aún preliminar y en proceso de revisión para su publicación, causó «un gran revuelo» y desde entonces han sido objeto de un intenso debate, afirma El-Khadra.

Los resultados que se darán a conocer el 7 de abril podrían no zanjar la cuestión. Gracias a las mejoras realizadas en el experimento, los investigadores aspiran a obtener una medición de g – 2 cuatro veces más precisa que la que logró la instalación de Brookhaven. Sin embargo, de todos los datos tomados desde 2017, hasta ahora los físicos solo han analizado el equivalente a un año de ellos. Eso todavía no bastará para reducir el error con respecto al obtenido en Brookhaven. Pero, si el resultado se acerca mucho al original, la confianza en él aumentará, señala Roberts.

Si el Fermilab confirma la sorpresa de Brookhaven, lo más probable es que la comunidad científica exija una verificación independiente. Esta podría provenir de una técnica experimental que se está desarrollando en el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC), la cual podría permitir medir el momento magnético del muon de una manera totalmente distinta.

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group

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