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El misterio del muon

El hermano masivo del electrón ha estado durante años en el centro de un enigma experimental y teórico. Un resultado reciente sobre sus propiedades magnéticas ofrece una de las vías más prometedoras para descubrir nueva física.

LAS PARTÍCULAS VIRTUALES asociadas al vacío cuántico dictan el modo en que un muon (azul, representación artística) interacciona con un campo magnético. Medir con detalle dicha interacción podría aportar pruebas sobre la existencia de nuevas partículas elementales en la naturaleza. [GETTY IMAGES/ALEKSANDARNAKOVSKI/ISTOCK

En síntesis

El electrón y su versión masiva, el muon, actúan como pequeños imanes que reaccionan ante la presencia de campos magnéticos. Dicho comportamiento depende de una propiedad de estas partículas conocida como momento magnético.

Al contrario que otras propiedades, como la masa o la carga, el momento magnético de una partícula puede predecirse mediante un complejo cálculo teórico. Históricamente, su estudio fue clave para establecer la física de partículas moderna.

Un experimento ha hallado una discrepancia entre el momento magnético del muon y su predicción teórica. Sin embargo, un cálculo alternativo basado en tratar el espaciotiempo como formado por «píxeles» sugiere un acuerdo entre teoría y experimento.

El pasado 7 de abril estaba marcado en los calendarios de miles de físicos de partículas de todo el mundo. Ese día, una videoconferencia desde el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), cerca de Chicago, iba a anunciar los primeros resultados de un experimento largamente esperado.

El experimento, llamado Muon g – 2, había sido concebido para medir con una precisión exquisita cierta propiedad magnética del muon, una partícula elemental casi idéntica al electrón pero unas 200 veces más masiva. Había mucho en juego, ya que el magnetismo del muon ha sido considerado desde hace años uno de los candidatos más prometedores para revelar una grieta en el modelo estándar, la teoría que describe el comportamiento de todas las partículas elementales conocidas y sus interacciones salvo la gravedad.

El modelo estándar cuenta con un legendario historial de haber superado todas y cada una de las pruebas experimentales a las que se ha visto sometido. Sin embargo, sabemos también que no puede ser la teoría final de la naturaleza. Entre otras cosas, no incluye la gravedad y tampoco explica fenómenos como el de la materia o la energía oscuras. Por ello, encontrar un fallo en el modelo estándar (es decir, un desacuerdo concluyente entre un resultado experimental y las predicciones de la teoría) es considerado desde hace tiempo el santo grial de la física de partículas: un punto de partida que permitiría tirar del hilo para llegar a una teoría más fundamental del universo.

Los resultados de Muon g 2 llegaban dos décadas después de que su predecesor, el experimento E821 del Laboratorio Nacional de Brookhaven, cerca de Nueva York, hubiera encontrado una tentadora discrepancia entre las propiedades magnéticas del muon y la predicción del modelo estándar. Sin embargo, dicha predicción teórica resulta extremadamente difícil de calcular, por lo que quedaban muchas preguntas abiertas.

Durante los veinte años transcurridos entre los resultados de Brookhaven y los del Fermilab, numerosos físicos teóricos de todo el mundo trabajaron para mejorar las técnicas de cálculo y afinar todo lo posible la predicción del modelo estándar. La inminente llegada del experimento Muon g 2 dio un enorme impulso a ese esfuerzo global y, en diciembre de 2020, este cristalizó en la publicación de un «valor de consenso» para la predicción teórica del magnetismo del muon. Según dicho cálculo, la discrepancia entre la teoría y los resultados experimentales obtenidos en Brookhaven seguía existiendo.

El resultado anunciado en Fermilab el pasado 7 de abril ratificó el de Brookhaven. Las implicaciones eran de primer orden. Por un lado, la nueva medición daba un espaldarazo a las técnicas experimentales empleadas. Pero, además, la combinación de ambos resultados permitió obtener una medición aún más precisa del magnetismo del muon. En total, la discrepancia entre la teoría y el experimento ascendía a 4,2 sigmas, donde la letra griega sigma es el símbolo que usamos los científicos para referirnos a la incertidumbre total, procedente tanto de la teoría como del experimento. Esta «escala de sigmas» es el método habitual empleado en física de partículas para cuantificar cuán lejos se halla un resultado experimental de su predicción teórica. Una desviación de 4,2 sigmas quiere decir que la probabilidad de obtener dicho resultado por pura casualidad (es decir, sin que hayan intervenido nuevos fenómenos físicos) es de menos de uno entre 10.000. Sin embargo, y aunque ello suponga un fuerte indicio de haber observado nueva física, es importante señalar que tal desviación no cuenta como un descubrimiento en física de partículas, donde, para proclamar un hallazgo, es necesario alcanzar el umbral de 5 sigmas (correspondientes a una probabilidad de menos de uno entre un millón de haber obtenido dicho resultado por casualidad).

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