El inminente descubrimiento de nuevas fuerzas de la naturaleza podría cambiar la física tal como la conocemos


Hace siete años, un enorme imán fue transportado a más de 3.200 millas (5.150 km) por tierra y mar, con la esperanza de estudiar una partícula subatómica llamada muón.

Los muones están estrechamente relacionados con los electrones, que orbitan cada átomo y forman los componentes básicos de la materia. El electrón y el muón tienen propiedades predichas con precisión por nuestra mejor teoría científica actual que describe el mundo cuántico subatómico, el modelo estándar de física de partículas.

Toda una generación de científicos se ha dedicado a medir estas propiedades con exquisito detalle. En 2001, un experimento insinuó que una propiedad del muón no era exactamente como lo predijo el modelo estándar, pero se necesitaban nuevos estudios para confirmarlo. Los físicos trasladaron parte del experimento a un nuevo acelerador, en Fermilab, y comenzaron a tomar más datos.

A nueva medida ahora ha confirmado el resultado inicial. Esto significa que pueden existir nuevas partículas o fuerzas que no se tienen en cuenta en el modelo estándar. Si este es el caso, las leyes de la física tendrán que revisarse y nadie sabe a dónde puede conducir.

Este último resultado proviene de una colaboración internacional, de la que ambos formamos parte. Nuestro equipo ha estado usando aceleradores de partículas para medir una propiedad llamada momento magnético del muón.

Cada muón se comporta como una pequeña barra magnética cuando se expone a un campo magnético, un efecto llamado momento magnético. Los muones también tienen una propiedad intrínseca llamada «espín», y la relación entre el espín y el momento magnético del muón se conoce como factor g. Se predice que la “g” del electrón y el muón será dos, por lo que g menos dos (g-2) debe medirse como cero. Esto es lo que estamos probando en Fermilab.

Para estas pruebas, los científicos han utilizado aceleradores, el mismo tipo de tecnología que utiliza Cern en el LHC. El acelerador de Fermilab produce muones en cantidades muy grandes y mide, con mucha precisión, cómo interactúan con un campo magnético.


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El comportamiento del muón está influenciado por «partículas virtuales» que aparecen y desaparecen del vacío. Estos existen fugazmente, pero durante el tiempo suficiente para afectar la forma en que el muón interactúa con el campo magnético y cambiar el momento magnético medido, aunque sea en una pequeña cantidad.

El modelo estándar predice con mucha precisión, mejor que una parte en un millón, cuál es este efecto. Siempre que sepamos qué partículas están burbujeando dentro y fuera del vacío, el experimento y la teoría deberían coincidir. Pero, si el experimento y la teoría no coinciden, nuestra comprensión de la sopa de partículas virtuales puede ser incompleta.

Nuevas partículas

La posibilidad de que existan nuevas partículas no es una especulación ociosa. Estas partículas podrían ayudar a explicar varios de los grandes problemas de la física. ¿Por qué, por ejemplo, el universo tiene tanta materia oscura – provocando que las galaxias giren más rápido de lo esperado – ¿y por qué ha desaparecido casi toda la antimateria creada en el Big Bang?

El problema hasta la fecha ha sido que nadie ha visto ninguna de estas nuevas partículas propuestas. Se esperaba que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Cern los produjera en colisiones entre protones de alta energía, pero aún no se han observado.

La nueva medición utilizó la misma técnica que un experimento en el “Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, a principios de siglo, que a su vez siguió una serie de mediciones en Cern.

El experimento de Brookhaven midió una discrepancia con el modelo estándar que tenía una probabilidad entre 5.000 de ser una casualidad estadística. Esta es aproximadamente la misma probabilidad que lanzar una moneda 12 veces seguidas, todas cara arriba.

Esto fue tentador, pero muy por debajo del umbral para el descubrimiento, que generalmente se requiere que sea mejor que uno en 1.7 millones, o 21 lanzamientos de monedas seguidos. Para determinar si había nueva física en juego, los científicos tendrían que aumentar la sensibilidad del experimento en un factor de cuatro.

Para realizar la medición mejorada, el imán en el corazón del experimento tuvo que moverse en 2013 3,200 millas desde Long Island a lo largo del mar y la carretera, hasta Fermilab, en las afueras de Chicago, cuyos aceleradores podrían producir una abundante fuente de muones.

Una vez en su lugar, se construyó un nuevo experimento alrededor del imán con detectores y equipos de última generación. El experimento muon g-2 comenzó a tomar datos en 2017, con la colaboración de veteranos del experimento Brookhaven y una nueva generación de físicos.

Los nuevos resultados, del primer año de datos en Fermilab, están en línea con la medición del experimento de Brookhaven. La combinación de resultados refuerza el caso de un desacuerdo entre la medición experimental y el modelo estándar. Las posibilidades ahora se encuentran en aproximadamente una en 40,000 de que la discrepancia sea una casualidad, aún por debajo del umbral de descubrimiento del patrón oro.

El LHC

Curiosamente, un observación reciente del experimento LHCb en el Cern también encontraron posibles desviaciones del modelo estándar. Lo interesante es que esto también se refiere a las propiedades de los muones. Esta vez es una diferencia en cómo se producen los muones y electrones a partir de partículas más pesadas. Se espera que las dos tasas sean iguales en el modelo estándar, pero la medición experimental encontró que eran diferentes.

Tomados en conjunto, los resultados de LHCb y Fermilab refuerzan el caso de que hemos observado la primera evidencia de que falla la predicción del modelo estándar, y que hay nuevas partículas o fuerzas en la naturaleza por descubrir.

Para la confirmación definitiva, se necesitan más datos tanto del experimento del muón de Fermilab como del experimento LHCb de Cern. Los resultados se publicarán en los próximos años. Fermilab ya tiene cuatro veces más datos de los que se utilizaron en este resultado reciente, actualmente en análisis, el Cern ha comenzado a tomar más datos y se está construyendo una nueva generación de experimentos de muones. Esta es una era emocionante para la física.La conversación

Este artículo de Themis Bowcock, Catedrático de Física de Partículas, Universidad de Liverpool y Mark Lancaster, Catedrático de Física, Universidad de Manchester, Se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.





Fuente: TNW

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