El 24 de julio, un gran equipo de investigadores se reunió en Liverpool para desvelar un único número relacionado con el comportamiento del muón, una partícula subatómica que podría abrir un portal a una nueva física de nuestro universo.
Todos los ojos estaban en la pantalla de una computadora mientras alguien ingresaba un código secreto para publicar los resultados. El primer número que apareció fue recibido con exasperación: muchos jadeos preocupantes, oh, Dios mío y qué hicimos mal. Pero después de un cálculo final, «hubo una exhalación colectiva en varios continentes», dijo Kevin Pitts, físico de Virginia Tech que estaba a cinco horas de distancia, asistiendo a la reunión virtualmente. La nueva medida coincidía exactamente con lo que los físicos habían calculado dos años antes, ahora con el doble de precisión.
Así llega el último resultado de Muon g-2 Collaboration, que realiza un experimento en el Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, en Batavia, Illinois, para estudiar el movimiento desviado del muón. La medida, anunciado al publico y enviado a la revista Physical Review Letters el jueves por la mañana, lleva a los físicos un paso más cerca de descubrir si hay más tipos de materia y energía que componen el universo de los que se han tenido en cuenta.
“Realmente todo se reduce a ese único número”, dijo Hannah Binney, física del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts que trabajó en la medición de muones como estudiante de posgrado.
Los científicos están poniendo a prueba el Modelo Estándar, una gran teoría que abarca todas las partículas y fuerzas conocidas de la naturaleza. Aunque el modelo estándar ha predicho con éxito el resultado de innumerables experimentos, los físicos han tenido durante mucho tiempo la corazonada de que su marco está incompleto. La teoría no tiene en cuenta la gravedad, y tampoco puede explicar la materia oscura (el pegamento que mantiene unido nuestro universo) o la energía oscura (la fuerza que lo separa).
Una de las muchas formas en que los investigadores buscan física más allá del modelo estándar es mediante el estudio de los muones. Como primos más pesados del electrón, los muones son inestables y sobreviven solo dos millonésimas de segundo antes de descomponerse en partículas más ligeras. También actúan como pequeñas barras magnéticas: coloque un muón en un campo magnético y se tambaleará como un trompo. La velocidad de ese movimiento depende de una propiedad del muón llamada momento magnético, que los físicos abrevian como g.
En teoría, g debería ser exactamente igual a 2. Pero los físicos saben que este valor se altera por la «espuma cuántica» de partículas virtuales que aparecen y desaparecen e impiden que el espacio vacío esté realmente vacío. Estas partículas transitorias cambian la velocidad de oscilación del muón. Al hacer un balance de todas las fuerzas y partículas en el modelo estándar, los físicos pueden predecir cuánto g se compensará. A esta desviación la llaman g-2.
Pero si hay partículas desconocidas en juego, las mediciones experimentales de g no coincidirán con esta predicción. “Y eso es lo que hace que estudiar el muón sea tan emocionante”, dijo el Dr. Binney. «Es sensible a todas las partículas que existen, incluso a las que aún no conocemos». Cualquier diferencia entre la teoría y el experimento, agregó, significa que la nueva física está en el horizonte.
Para medir g-2, los investigadores de Fermilab generaron un haz de muones y lo dirigieron hacia un imán en forma de rosquilla de 50 pies de diámetro, el interior rebosante de partículas virtuales que estaban apareciendo en la realidad. Mientras los muones corrían alrededor del anillo, los detectores a lo largo de su borde registraron qué tan rápido se tambaleaban.
Usando 40 mil millones de muones, cinco veces más datos que los investigadores tenían en 2021, el equipo midió g-2 en 0,00233184110, una desviación de una décima parte del 1 por ciento de 2. El resultado tiene una precisión de 0,2 partes por millón. Eso es como medir la distancia entre la ciudad de Nueva York y Chicago con una incertidumbre de solo 10 pulgadas, dijo el Dr. Pitts.
“Es un logro asombroso”, dijo Alex Keshavarzi, físico de la Universidad de Manchester y miembro de la Colaboración Muon g-2. «Esta es la medición más precisa del mundo jamás realizada en un acelerador de partículas». Los resultados, cuando se revelaron al público en un seminario científico el jueves por la mañana, fueron recibidos con aplausos.
“El tipo de precisión que estas personas han logrado alcanzar es asombroso”, dijo Dan Hooper, un cosmólogo teórico de la Universidad de Chicago que no participó en el trabajo. “Había mucho escepticismo de que llegarían aquí, pero aquí están”.
Pero aún no se ha determinado si el g-2 medido coincide con la predicción del modelo estándar. Esto se debe a que los físicos teóricos tienen dos métodos para calcular g-2, basados en diferentes formas de contabilizar la fuerza fuerte, que une protones y neutrones dentro de un núcleo.
El cálculo tradicional se basa en 40 años de mediciones de fuerza fuerte tomadas por experimentos en todo el mundo. Pero con este enfoque, la predicción de g-2 es tan buena como los datos que se utilizan, dijo Aida El-Khadra, física teórica de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y presidenta de Muon g-2 Teoría Iniciativa. Las limitaciones experimentales en esos datos, dijo, pueden hacer que esta predicción sea menos precisa.
También ha surgido una técnica más nueva llamada cálculo de celosía, que utiliza supercomputadoras para modelar el universo como una cuadrícula de cuatro dimensiones de puntos de espacio-tiempo. Este método no utiliza datos en absoluto, dijo el Dr. El-Khadra. Solo hay un problema: genera una predicción g-2 que difiere del enfoque tradicional.
“Nadie sabe por qué estos dos son diferentes”, dijo el Dr. Keshavarzi. “Deberían ser exactamente iguales”.
En comparación con la predicción tradicional, la última medición de g-2 tiene una discrepancia de más de 5 sigma, lo que corresponde a una posibilidad entre 3,5 millones de que el resultado sea una casualidad, dijo el Dr. Keshavarzi, y agregó que este grado de certeza estaba más allá el nivel necesario para reclamar un descubrimiento. (Eso es una mejora de su Resultado 4.2-sigma en 2021y una medición de 3,7 sigma realizada en el Laboratorio Nacional de Brookhaven cerca del cambio de siglo).
Pero cuando lo compararon con la predicción de la red, dijo el Dr. Keshavarzi, no hubo ninguna discrepancia.
Rara vez en física un experimento supera la teoría, pero esta es una de esas ocasiones, dijo el Dr. Pitts. “La atención está en la comunidad teórica”, agregó. “El centro de atención ahora está sobre ellos”.
El Dr. Binney dijo: «Estamos al borde de nuestros asientos para ver cómo se desarrolla esta discusión teórica». Los físicos esperan comprender mejor la predicción de g-2 para 2025.
Gordan Krnjaic, un físico teórico de partículas en Fermilab, señaló que si persiste el desacuerdo experimental con la teoría, sería «la primera evidencia de laboratorio de pistola humeante de nueva física», dijo. “Y bien podría ser la primera vez que rompemos el modelo estándar”.
Mientras los dos campos de la teoría lo discuten, los experimentadores perfeccionarán aún más su medición de g-2. Tienen más del doble de la cantidad de datos que quedan por examinar y, una vez que se incluyen, su precisión mejorará en otro factor de dos. “El futuro es muy brillante”, dijo Graziano Venanzoni, físico de la Universidad de Liverpool y uno de los líderes del experimento Muon g-2, en una rueda de prensa pública sobre los resultados
El último resultado lleva a los físicos un paso más cerca de un enfrentamiento del modelo estándar. Pero incluso si se confirma que la nueva física está disponible, se necesitará más trabajo para descubrir qué es realmente. El descubrimiento de que las leyes conocidas de la naturaleza están incompletas sentaría las bases para una nueva generación de experimentos, dijo el Dr. Keshavarzi, porque les diría a los físicos dónde buscar.
“Los físicos se emocionan mucho cuando la teoría y el experimento no concuerdan entre sí”, dijo Elena Pinetti, física teórica del Fermilab que no participó en el trabajo. “Ahí es cuando realmente podemos aprender algo nuevo”.
Para el Dr. Pitts, que ha pasado casi 30 años superando los límites del modelo estándar, la prueba de la nueva física sería tanto un hito de celebración como un recordatorio de todo lo que queda por hacer. “Por un lado va a ser Brindar y celebrar un éxito, un verdadero avance”, dijo. “Pero luego va a volver al trabajo. ¿Cuáles son las próximas ideas en las que podemos ponernos a trabajar?
