Muones las partículas fundamentales
Los primeros resultados del experimento Muon g-2 en Fermilab han reforzado la evidencia de nueva física. La pieza central del experimento es un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 50 pies de diámetro, que se encuentra en su sala de detectores en medio de bastidores electrónicos, la línea de luz de muones y otros equipos. Este impresionante experimento opera a 450 grados Fahrenheit negativos y estudia la oscilación de los muones a medida que viajan a través del campo magnético. (Foto: Fermilab)

Los primeros resultados del experimento Muon g-2 en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía de Estados Unidos despejaron una duda que los científicos habían tenido durante décadas.

Las partículas fundamentales conocidas como muones no se compartan de acuerdo con la teoría del Modelo Estándar de Física de Partículas. ¿Qué significa? que actúan como una ventana al mundo subatómico y podrían interactuar con partículas o fuerzas aún no descubiertas.

“Es un día extraordinario, muy esperado, no solo por nosotros sino por toda la comunidad física internacional”, dijo Graziano Venanzoni, co-portavoz del experimento Muon g-2 y físico del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear.

“Gran parte del mérito es para nuestros jóvenes investigadores que, con su talento, ideas y entusiasmo, nos han permitido lograr este increíble resultado”.

Recomendamos: La ‘comuna’ donde se hace la ciencia experimental más avanzada del mundo

¿Qué son los muones?

Un muón es unas 200 veces más masivo que su primo, el electrón. Los muones se producen naturalmente cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera de la Tierra y los aceleradores de partículas del Fermilab pueden producirlos en grandes cantidades.

Al igual que los electrones, los muones actúan como si tuvieran un pequeño imán interno.

En un campo magnético fuerte, la dirección del imán del muón se tambalea, de manera muy similar al eje de una trompo un giroscopio.

La fuerza del imán interno determina la velocidad del muón en un campo magnético externo y se describe mediante un número que los físicos llaman factor g. Este número se puede calcular con una precisión ultra alta.

A medida que los muones circulan en el imán Muon g-2, también interactúan con una espuma cuántica de partículas subatómicas que aparecen y desaparecen.

Las interacciones con estas partículas de vida corta afectan el valor del factor g, lo que hace que la precesión de los muones se acelere o desacelere muy ligeramente.

El modelo estándar predice este llamado momento magnético anómalo con extrema precisión. Pero, si la espuma cuántica contiene fuerzas o partículas adicionales que no se tienen en cuenta en el Modelo Estándar, eso alteraría aún más el factor g del muón.

“Esta cantidad que medimos refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el universo. Pero, cuando los teóricos calculan la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtenemos la misma respuesta“, dijo Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y gerente de simulaciones.

“Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría”, refirió.

El experimento anterior en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, que concluyó en 2001, ofreció indicios de que el comportamiento del muón no concordaba con el Modelo Estándar. La nueva medición del experimento Muon g-2 en Fermilab concuerda fuertemente con el valor encontrado en Brookhaven y difiere de la teoría con la medición más precisa hasta la fecha.

Te contamos: Los videos del maravilloso nacimiento de un grano de sal

Evidencia de nueva física

Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con la teoría con una significación de 4.2 sigma, un poco por debajo de los 5 sigma (o desviaciones estándar) que los científicos requieren para reclamar un descubrimiento, pero aún evidencia convincente de nueva física.

La probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 en 40,000.

El experimento de Fermilab reutiliza el componente principal del experimento de Brookhaven, un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 50 pies de diámetro.

En 2013, fue transportado 3,200 millas por tierra y mar desde Long Island a los suburbios de Chicago, donde los científicos pudieron aprovechar el acelerador de partículas de Fermilab y producir el haz de muones más intenso de los Estados Unidos.

Durante los siguientes cuatro años, los investigadores armaron el experimento; sintonizado y calibrado un campo magnético increíblemente uniforme; desarrolló nuevas técnicas, instrumentación y simulaciones; y probado minuciosamente todo el sistema.

El experimento Muon g-2 envía un haz de muones al anillo de almacenamiento, donde circulan miles de veces a casi la velocidad de la luz. Los detectores que recubren el anillo permiten a los científicos determinar qué tan rápido están precesando los muones.

En su primer año de funcionamiento, en 2018, el experimento de Fermilab recopiló más datos que todos los experimentos previos de factor g de muones combinados.

Con más de 200 científicos de 35 instituciones en siete países, la colaboración Muon g-2 ha terminado de analizar el movimiento de más de 8,000 millones de muones de esa primera ejecución.

“Después de los 20 años que han pasado desde que terminó el experimento de Brookhaven, es muy gratificante estar finalmente resolviendo este misterio”, dijo el científico del Fermilab, Chris Polly, otro co-portavoz del experimento actual y fue un estudiante graduado líder en el Experimento de Brookhaven.

El análisis de datos de la segunda y tercera ejecución del experimento está en marcha, la cuarta ejecución está en curso y se planea una quinta ejecución.

La combinación de los resultados de las cinco corridas dará a los científicos una medida aún más precisa de la oscilación del muón, revelando con mayor certeza si la nueva física se esconde dentro de la espuma cuántica.

“Hasta ahora hemos analizado menos del 6 % de los datos que eventualmente recopilará el experimento. Aunque estos primeros resultados nos dicen que existe una diferencia intrigante con el Modelo Estándar, aprenderemos mucho más en los próximos años ”, dijo Polly.