Un nuevo experimento sugiere que una partícula rompe las leyes conocidas de la física

El «primo» más pesado del electrón, conocido como muon, desafía el modelo estándar de todas las partículas en el universo.

Publicado 8 abr 2021 15:21 CEST
Imagen del anillo del experimento Muon g-2

El anillo del Muon g-2, situado entre estantes electrónicos en su sala de detectores. Este experimento opera a -267 grados Celsius y estudia la precesión (o bamboleo) de los muones cuando viajan por un campo magnético.

Fotografía de Reidar Hahn, Fermilab

En un experimento histórico, un equipo de científicos ha descubierto nuevas pruebas de que una partícula subatómica desobedece una de las teorías más sólidas de la ciencia: el modelo estándar de la física de partículas. El desfase entre las predicciones del modelo y el comportamiento de la partícula, medido recientemente, indica que el universo podría contener partículas y fuerzas desconocidas que están fuera de nuestra comprensión actual.

El miércoles, en un seminario, los investigadores de Fermilab en Illinois, Estados Unidos, anunciaron los primeros resultados del experimento Muon g-2, que desde 2018 ha medido una partícula llamada muon, un primo más pesado del electrón que se descubrió en la década de 1930.

Al igual que los electrones, los muones tienen carga negativa y una propiedad cuántica llamada espín, que hace que las partículas actúen como peonzas diminutas que se bambolean cuando las colocan en un campo magnético. Cuanto más intenso es el campo magnético, más rápido se bambolea el muon.

El modelo estándar, desarrollado en la década de 1970, es la mejor explicación matemática de la humanidad para el comportamiento de las partículas en el universo y predice la frecuencia del bamboleo de un muon con extrema precisión. Sin embargo, en 2001, el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Upton, Nueva York, descubrió que los muones parecen bambolearse ligeramente más rápido de lo que predice el modelo estándar.

Ahora, dos décadas después, el experimento Muon g-2 de Fermilab ha creado su propia versión del experimento de Brookhaven y ha observado la misma anomalía. Cuando los investigadores combinaron los datos de ambos experimentos, descubrieron que las probabilidades de que la discrepancia fuera una coincidencia eran de aproximadamente 1 entre 40 000, una señal de que otras partículas y fuerzas podrían influir en el comportamiento del muon.

«Esto se veía venir», afirma el físico de la Universidad de Manchester Mark Lancaster, miembro de la colaboración Muon g-2, un equipo de más de 200 científicos de siete países. «Muchos de nosotros llevamos décadas trabajando en esto».

Según las normas estrictas de la física de partículas, los resultados todavía no son un «descubrimiento». Puede que no se alcance ese umbral hasta que los resultados logren una certidumbre estadística de 5 sigma, o una probabilidad de 1 entre 3,5 millones de que una fluctuación aleatoria provocara el desfase entre teoría y observación, no una diferencia real.

Los nuevos resultados —que se publicarán en las revistas científicas Physical Review LettersPhysical Review A&BPhysical Review A Physical Review D— se basan en solo un seis por ciento de los datos totales que se prevé que recopilará el experimento. Si los resultados de Fermilab se mantienen, alcanzar 5 sigma podría llevar un par de años. «La actitud que hay que adoptar es de optimismo cauto», afirma Nima Arkani-Hamed, físico teórico del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, que no participó en la investigación.

Los resultados de Fermilab equivalen a la mayor pista en décadas de que existen partículas o propiedades físicas más allá del modelo estándar. Si persiste este desacuerdo con el modelo estándar, entonces el trabajo «será digno del Nobel, sin lugar a dudas», dice Freya Blekman, física de la Universidad Libre de Bruselas que no participó en la investigación.

Un modelo de todo

El modelo estándar es posiblemente la teoría científica de más éxito, capaz de predicciones increíblemente precisas sobre el comportamiento de las partículas fundamentales del universo. Pero los científicos han sabido durante mucho tiempo que el modelo está incompleto. No incluye una descripción de la gravedad, por ejemplo, y no dice nada sobre la misteriosa materia oscura que parece estar esparcida por el cosmos.

Para averiguar qué hay más allá del modelo estándar, los físicos han intentado llevarlo a sus límites en experimentos de laboratorio. Sin embargo, la teoría ha superado una prueba tras otra, e incluso años de mediciones de altas energías en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), que en 2012 encontró una partícula que había sido predicha por el modelo estándar: el bosón de Higgs, que desempeña un papel fundamental a la hora de dar masa a otras partículas.

A diferencia del LHC, que hace que las partículas choquen para crear nuevos tipos de partículas, el experimento Muon g-2 del Fermilab mide las partículas conocidas con extrema precisión y busca desviaciones sutiles de la teoría del modelo estándar.

«El LHC, por así decirlo, es casi como chocar dos relojes suizos a gran velocidad. Salen los restos y se intenta reconstruir lo que hay dentro», dice Lancaster. «Tenemos un reloj suizo y observamos su tictac con mucho, mucho, mucho, mucho cuidado y precisión, para ver si hace lo que esperamos que haga».

El muon es la partícula perfecta para buscar señales de una nueva física. Sobrevive el tiempo suficiente para ser estudiado en profundidad en el laboratorio —aunque sólo son millonésimas de segundo— y, aunque se espera que se comporte de forma muy parecida al electrón, tiene 207 veces más masa, lo que proporciona un elemento de referencia importante.

Durante décadas, los investigadores han examinado atentamente cómo afecta la influencia de otras partículas conocidas a los bamboleos magnéticos de los muones. En la escala cuántica —la escala de las partículas individuales— las pequeñas fluctuaciones de energía se manifiestan como pares de partículas que aparecen y desaparecen, como la espuma en un gran baño de burbujas.

Según el modelo estándar, cuando los muones se mezclan con este fondo espumoso de partículas «virtuales», su bamboleo es aproximadamente un 0,1 por ciento más rápido de lo previsto. Este impulso al bamboleo del muon se denomina momento magnético anómalo.

Sin embargo, la predicción del modelo estándar solo es igual de buena que su inventario de las partículas del universo. Si el universo contiene otras partículas pesadas, por ejemplo, modificarían el momento magnético anómalo del muon, posiblemente lo suficiente para medirlo en el laboratorio.

Estudiar el muon es «prácticamente la investigación más inclusiva de la nueva física», afirma el miembro del equipo del Muon g-2 Dominik Stöckinger, físico teórico de la Universidad de Tecnología de Dresden, en Alemania.

Haces de muones y campos magnéticos

El experimento Muon g-2 comienza con un haz de muones, que los científicos crean colisionando pares de protones y filtrando minuciosamente los restos subatómicos. Este haz de muones entra en un anillo magnético de 14 toneladas que se usó en el experimento de Brookhaven, transportado en barco y en camión desde Long Island a Illinois en 2013.

A medida que los muones dan vueltas a este anillo, que tiene un campo magnético uniforme, los muones bamboleantes se desintegran en partículas que chocan contra un conjunto de 24 detectores ubicados en la pared interior del anillo. Al rastrear la frecuencia con que estas partículas chocan con los detectores, los investigadores pueden deducir la velocidad de bamboleo de sus muones, algo similar a averiguar la velocidad de rotación de un faro distante observando cómo se ilumina y se oscurece.

El Muon g-2 trata de medir el momento magnético anómalo del muon con una precisión de 140 partes por mil millones, cuatro veces mejor que el experimento de Brookhaven. Por otra parte, los científicos tuvieron que realizar la mejor predicción posible con el modelo estándar. Entre 2017 y 2020, 132 teóricos dirigidos por Aida El-Khadra, de la Universidad de Illinois, calcularon la predicción del bamboleo de los muones de la teoría con una precisión histórica, que era inferior a los valores medidos.

Como en este experimento hay mucho en juego, Fermilab también tomó medidas para eliminar los sesgos. Las mediciones fundamentales del experimento se basan en la hora precisa a la que sus detectores captan las señales, así que para garantizar la honestidad de los científicos, Fermilab adelantaba o atrasaba el reloj del experimento de forma aleatoria. Este cambio modificó los datos, aunque se desconoce en qué proporción, pero solo se corregirá después de que se termine el análisis.

Los únicos registros de la cifra aleatoria según la cual se cambió el reloj eran dos trozos de papel escritos a mano que se guardaban en armarios cerrados con llave en Fermilab y la Universidad de Washington, en Seattle. A finales de febrero, estos sobres se abrieron y se revelaron al equipo, lo que les permitió averiguar los resultados reales del experimento durante una videollamada de Zoom en directo.

«Estábamos extasiados, emocionados, pero también desconcertados, porque en el fondo creo que todos éramos un poco pesimistas», afirma Jessica Esquivel, miembro del equipo del Muon g-2 e investigadora posdoctoral en Fermilab.

¿Una nueva física?

Los nuevos resultados de Fermilab proporcionan una pista importante sobre qué podría haber más allá del modelo estándar, pero los teóricos que intentan descubrir la nueva física no tienen un espacio infinito que explorar. Cualquier teoría que trate de explicar los resultados del Muon g-2 también debe tener en cuenta la ausencia de partículas nuevas descubiertas por el LHC.

En algunas de las teorías propuestas, el universo contiene varios tipos de bosones de Hyggs, no solo el que incluye el modelo estándar. Otras teorías invocan «leptoquarks» exóticos que causarían nuevos tipos de interacciones entre muones y otras partículas. Como muchas de las versiones más sencillas de estas teorías ya han sido descartadas, los físicos «tienen que pensar de forma poco convencional», dice Stöckinger.

Casualmente, la noticia de los resultados del Fermilab llega dos semanas después de que otro laboratorio —el experimento LHCb del CERN— hallara pruebas independientes del comportamiento descarriado de los muones. El experimento estudia partículas efímeras llamadas mesones B y sigue su desintegración. El modelo estándar predice que algunas de estas partículas en desintegración expulsan pares de muones. Con todo, el LHCb ha hallado pruebas de que estas desintegraciones de muones ocurren con menos frecuencia de lo previsto y las probabilidades de que el resultado del experimento fuera una casualidad son de aproximadamente una entre mil.

Al igual que Fermilab, el LHCb necesita más datos antes de declarar un nuevo descubrimiento. Pero incluso ahora, la combinación de ambos resultados tiene a los físicos «dando saltos de alegría», dice El-Khadra.

El siguiente paso es replicar los resultados. Los hallazgos del Fermilab se basan en la primera ejecución del experimento, que terminó a mediados de 2018. Actualmente, el equipo está analizando otras dos series de datos. Si estos datos son similares a los del primer experimento, podrían bastar para convertir la anomalía en un descubrimiento en toda regla a finales de 2023.

Los teóricos también están empezando a examinar con lupa la predicción del modelo estándar, sobre todo las partes que son más difíciles de calcular. Los nuevos métodos de supercomputación denominados simulaciones de redes deberían ayudar, pero los resultados preliminares discrepan ligeramente con algunos de los valores que incluyó el equipo de El-Khadra en su cálculo teórico. Se tardarán años en examinar estas diferencias y ver cómo afectan a la búsqueda de una nueva física.

Para Lancaster y sus colegas, los años de trabajo que tienen por delante valen la pena, sobre todo teniendo en cuenta lo lejos que han llegado.

«Cuando le cuentas a la gente que vas a intentar medir algo con una precisión superior a una parte por millón, a veces te miran un poco raro... y cuando les dices que vas a tardar 10 años, dicen: “Estás loco”», cuenta. «Creo que el mensaje es: perseverar».

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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