Experimento Muon g-2: una partícula rompe las leyes conocidas de la física

Este miércoles se han presentado los primeros resultados del experimento Muon g-2 en el Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía de EE UU, y han sorprendido a la comunidad científica al mostrar que unas partículas fundamentales llamadas muones se comportan de una forma que no predice la mejor de las teorías en este campo: el modelo estándar de la física de partículas.

Esto podría insinuar que existe una nueva y emocionante física desconocida hasta la fecha. Los muones actúan como una ventana al mundo subatómico y parecen estar interactuando con partículas o fuerzas que todavía no se han descubierto. Hasta ahora se conocen las fuerzas gravitatoria, electromagnética, fuerte y débil, pero podría haber una quinta.

Este resultado trascendental, publicado también en la revista Physical Review Letters, se ha realizado con una precisión sin precedentes, y confirma una discrepancia que lleva intrigando a los investigadores desde hace dos décadas.

«Hoy es un día extraordinario, largamente esperado no solo por nosotros, sino por toda la comunidad física internacional», ha destacado Graziano Venanzoni, coportavoz del experimento Muon g-2 y físico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, quien ha resaltado el importante papel de los jóvenes investigadores en este hallazgo.

La oscilación del muón, el ‘primo’ del electrón

Un muón es unas 200 veces más masivo que su ‘primo’, el electrón. Los muones se producen de forma natural 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, actúan como si tuvieran un pequeño imán interno.

En un campo magnético intenso, la dirección del imán de los muones hace un movimiento de precesión, se bambolea como el eje de una peonza. La fuerza del imán interno determina la velocidad de precesión de esta partícula en un campo magnético externo y se describe mediante un número que los físicos llaman factor g. Este número puede calcularse con enorme precisión.

Mientras los muones circulan por el imán de Muon g-2, también interactúan con una espuma cuántica de partículas subatómicas que aparecen y desaparecen. Las interacciones con estas partículas de corta vida afectan al valor del factor g, haciendo que la precesión de los muones se acelere o se ralentice muy ligeramente.

El modelo estándar predice este denominado momento magnético anómalo con extrema precisión. Pero si la espuma cuántica contiene fuerzas o partículas adicionales que no están contempladas en el modelo, eso modificaría aún más el factor g de los muones, y es lo que parece haber ocurrido.

«La cantidad que medimos refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el universo, pero cuando los teóricos calculan esa misma cantidad, utilizando todas las fuerzas y partículas conocidas del modelo estándar, no obtenemos la misma respuesta», explica Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y encargada de las simulaciones del experimento, “así que esto es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría».

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 del muón no estaba de acuerdo con el modelo estándar. Ahora la nueva medición en el Fermilab coincide fuertemente con el valor encontrado en Brookhaven y diverge de la teoría con la medición más precisa realizada hasta la fecha.

En concreto, el valor teórico aceptado para el factor g del muón es 2,00233183620 y su momento magnético anómalo 0,00116591810. Sin embargo, los nuevos resultados experimentales anunciados esta semana por la colaboración Muon g-2 son un factor g de 2,00233184122 y un momento magnético anómalo de 0,00116592061.

Una posibilidad entre 40.000 de que sea casualidad

Parece muy poca la diferencia, pero los datos combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una discrepancia con la teoría que presenta una desviación estándar o significación de 4,2 sigma, un poco menos de las 5 sigma que los científicos requieren para afirmar un verdadero descubrimiento. Aun así es una evidencia convincente de nueva física, según lo investigadores. La probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 entre 40.000.

Los primeros resultados del experimento Muon g-2 de Fermilab confirman los realizados hace dos décadas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Ambos muestran una fuerte evidencia de que los muones se apartan de la predicción del modelo estándar de la física de partículas. / Ryan Postel, colaboración Fermilab/Muon g-2

El experimento del Fermilab reutiliza el componente principal del de Brookhaven, un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 15 metros de diámetro. En las instalaciones de Muon g-2 se envía un haz de muones a ese anillo, donde circulan miles de veces a casi la velocidad de la luz, y los detectores que lo recubren permiten determinar la velocidad de precesión de los muones.

En su primer año de funcionamiento, en 2018, Muon g-2  recogió más datos que todos los experimentos anteriores sobre el factor g de muones juntos. Con más de 200 científicos de 35 instituciones de siete países, esta colaboración ha terminado ahora de analizar el movimiento de más de 8.000 millones de muones de su primer run o fase de ejecución.

«Después de los 20 años transcurridos desde que terminó el experimento de Brookhaven, es muy gratificante resolver por fin este misterio», subraya el científico Chris Polly, que fue estudiante en el antiguo experimento y ahora es coportavoz del actual.

Expectación por los futuros datos de Muon g-2

El análisis de los datos del segundo y tercer run de de Muon g-2 ya se está realizando, la cuarta fase también está en curso y hay prevista una quinta. La combinación de los resultados de las cinco ejecuciones proporcionará a los científicos una medición aún más precisa del bamboleo del muón, revelando con mayor certeza si efectivamente se esconde nueva física dentro de la espuma cuántica. 

«Hasta ahora hemos analizado menos del 6 % de los datos que el experimento acabará recogiendo”, apunta Polly, quien al igual que sus colegas está expectante por lo que pueda llegar: “Aunque estos primeros resultados nos dicen que hay una diferencia intrigante con el modelo estándar, vamos a aprender mucho más en los próximos dos años».