Una partícula diminuta podría alterar las leyes de la física

No es el próximo bosón de Higgs, todavía. Pero la mejor explicación, según los físicos, tiene que ver con formas de materia y energía no conocidas actualmente por la ciencia.

El anillo Muon g-2, situado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, en Batavia, Illinois, funciona a menos 267 grados Celsius y estudia el bamboleo de los muones cuando viajan a través del campo magnético.Credit...Reidar Hahn/Fermilab vía Departamento de Energía de Estados Unidos

 

Por Dennis Overbye

Publicado 8 de abril de 2021Actualizado 22 de abril de 2021

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Cada vez hay más pruebas de que una diminuta partícula subatómica desobedece las leyes de la física tal y como las conocíamos, anunciaron los científicos el miércoles. Este hallazgo abre un vasto y tentador territorio inexplorado en nuestra comprensión del universo.

El resultado, según los físicos, sugiere que hay formas de materia y energía que son vitales para la naturaleza y la evolución del cosmos pero que aún no son conocidas por la ciencia.

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“Esto es como si aterrizáramos nuestro róver en Marte”, dijo Chris Polly, físico del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, o Fermilab, en Batavia, Illinois, quien ha estado trabajando para lograr este hallazgo durante la mayor parte de su carrera.

La partícula en cuestión es el muon, similar al electrón, pero mucho más pesado y es un elemento integral del universo. El descubrimiento sucedió cuando Polly y sus colegas —un equipo de 200 físicos provenientes de siete países— notaron que los muones no se comportaron como estaba previsto cuando fueron disparados a través de un intenso campo magnético en el Fermilab.

Ese comportamiento aberrante plantea un gran desafío al Modelo Estándar, el conjunto de ecuaciones que enumera las partículas fundamentales en el universo (17, según el último recuento) y cómo interactúan.

“Esto es una fuerte evidencia de que el muon es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría”, dijo Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky.

Estos resultados, que son los primeros de un experimento llamado Muon g-2, confirmaron los obtenidos en ensayos similares realizados en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001, que han cautivado a los físicos desde entonces.

En un seminario virtual y una conferencia de prensa celebrada el miércoles, Polly señaló un gráfico que muestra un espacio en blanco donde los hallazgos del Fermilab se desviaron de la predicción teórica. “Podemos decir, con bastante confianza, que debe existir algo que haya contribuido a generar este espacio en blanco”, dijo. “¿Qué monstruos podrían estar acechándonos allí?”.

“Hoy es un día extraordinario, largamente esperado no solo por nosotros, sino por toda la comunidad física internacional”, dijo Graziano Venanzoni, portavoz de la colaboración Muon g-2 y físico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, en un comunicado emitido por el Fermilab. Los resultados también se publican en un conjunto de artículos que fueron enviados a diversas revistas académicas especializadas.

Las mediciones tienen aproximadamente una posibilidad entre 40.000 de ser una casualidad, informaron los científicos, muy por debajo del estándar necesario para afirmar que se trata de un descubrimiento oficial según los estándares de la física. Las señales prometedoras desaparecen todo el tiempo en la ciencia, pero todavía falta procesar más datos. Los resultados del miércoles solo representan el seis por ciento del total de datos que se espera que el experimento con muones obtenga en los próximos años.

“Esto es como si aterrizáramos nuestro róver en Marte”, dijo Chris Polly, físico del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, o Fermilab, en Batavia, Illinois, donde se realiza la investigación.Credit...Reidar Hahn/Fermilab vía Departamento de Energía de Estados Unidos

 

Durante décadas, los físicos han confiado en el Modelo Estándar, que explica con éxito los resultados de los experimentos con partículas de alta energía en lugares como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Pero el modelo no responde algunas de las preguntas más profundas sobre el universo.

La mayoría de los físicos creen que hay un rico tesoro de nueva física a la espera de ser encontrado, si tan solo se pudiera ver más profundamente y más lejos. Los datos adicionales del experimento del Fermilab podrían suponer un gran impulso para los físicos de partículas deseosos de construir la próxima generación de costosos aceleradores.

Se espera que, con el tiempo, también podría generar explicaciones de misterios cósmicos que durante mucho tiempo han preocupado a nuestra especie. ¿Qué es exactamente la materia oscura, esa materia invisible que, según los astrónomos, constituye una cuarta parte de la masa del universo? De hecho, ¿por qué hay materia en el universo?.

En Twitter, los físicos respondieron al anuncio del miércoles con una mezcla de entusiasmo y cautela. “Por supuesto, existe la posibilidad de que sea nueva física”, dijo Sabine Hossenfelder, física del Instituto de Estudios Avanzados de Fráncfort. “Pero yo no apostaría por eso”.

Marcela Carena, jefa de física teórica del Fermilab, que no participó en el experimento, dijo: “Estoy muy emocionada. Siento que este pequeño bamboleo puede sacudir los cimientos de lo que creíamos saber”.

‘¿Quién ordenó eso?’

El anillo de almacenamiento de partículas Muon g-2 en el edificio MC-1 del Fermilab.Credit...Fermilab

 

Los muones son un tipo de partícula que es poco probable que llegara a ser el centro de atención de la física. A veces llamados “electrones gordos”, se parecen a las conocidas partículas elementales que alimentan nuestras baterías, luces y computadoras y que zumban alrededor de los núcleos de los átomos; tienen una carga eléctrica negativa y giran, lo que hace que se comporten como pequeños imanes.

Pero son 207 veces más masivas que sus primas más conocidas. Además, son inestables y se descomponen radioactivamente en electrones y partículas superligeras llamadas neutrinos en 2,2 millonésimas de segundo.

“¿Quién ordenó eso?”, dijo el físico de la Universidad de Columbia I. I. Rabi cuando se descubrieron por primera vez en 1936. Ahora estas partículas se producen copiosamente en lugares como el Gran Colisionador de Hadrones, cuando las partículas más ordinarias chocan entre sí a altas energías.

Los muones han pasado a ser el centro de atención gracias a una peculiaridad de la mecánica cuántica, las reglas no intuitivas que subyacen en el reino atómico. Entre otras cosas, la teoría cuántica sostiene que el espacio vacío no está realmente vacío, sino que hierve con partículas “virtuales” que entran y salen de la existencia.

“Se podría pensar que es posible que una partícula esté sola en el mundo”, dijo Polly en una declaración biográfica publicada por el Fermilab. “Se podría pensar que los confines más profundos y oscuros del espacio exterior son un entorno muy solitario para las partículas. Pero, de hecho, no es nada solitario. Gracias al mundo cuántico, sabemos que cada partícula está rodeada por un séquito de otras partículas”.

Ese séquito influye en el comportamiento de las partículas existentes, incluida una propiedad del muon llamada momento magnético, representada en las ecuaciones por un factor llamado g. Según una fórmula derivada en 1928 por Paul Dirac, físico teórico inglés y fundador de la teoría cuántica, el momento magnético de un muon solitario debería ser 2.

Pero un muon nunca está solo. Así que la fórmula de Dirac debe corregirse para tener en cuenta el zumbido cuántico que surge de todas las demás partículas potenciales del universo. Eso hace que el factor g del muon sea inferior a 2, de ahí el nombre del experimento: Muon g-2.

La medida en que el g-2 se desvía de las predicciones teóricas es una indicación de lo mucho que aún se desconoce sobre el universo. Como dijo Polly, aún no se sabe cuántos monstruos esperan en la oscuridad para ser descubiertos por los físicos.

En 1998, los físicos de Brookhaven, incluido Polly, quien en ese entonces era un estudiante de posgrado, se propusieron explorar esta ignorancia cósmica midiendo realmente el g-2 y comparándolo con las predicciones.

En el experimento, un acelerador llamado Sincrotrón de Gradiente Alterno creaba haces de muones y los enviaba a un anillo de almacenamiento de 15 metros de ancho, una pista de carreras gigantesca controlada por imanes superconductores.

El valor de g que obtuvieron discrepaba de la predicción del Modelo Estándar lo suficiente como para provocar la imaginación de los físicos, pero sin la suficiente certeza como para afirmar que se trataba de un descubrimiento sólido. Además, en una medida de lo difícil que es este trabajo, los expertos no pudieron ponerse de acuerdo sobre la predicción exacta del Modelo Estándar, enturbiando aún más las aguas de la esperanza.

En aquel momento, rehacer el experimento no habría aumentado la precisión lo suficiente como para justificar el costo por lo que, en 2001, Brookhaven retiró el anillo de almacenamiento de muones de 15 metros. El universo se quedó colgado.

La gran mudanza

La pista magnética de 15 metros requerida para el experimento en Fermilab realizó una odisea de 5150 kilómetros en 2013, principalmente en una barca que recorrió la costa este, Florida y el río Misisipi, para luego ser transportada en camión a través de Illinois.Credit...Cindy Arnold/Fermilab vía Departamento de Energía de Estados Unidos

 

En el Fermilab se estaba construyendo un nuevo campus dedicado a los muones.

“Eso abrió un mundo de posibilidades”, recuerda Polly en su artículo biográfico. Para ese entonces, Polly trabajaba en el Fermilab; instó al laboratorio a rehacer el experimento g-2 allí. Lo pusieron a cargo.

Sin embargo, para realizar el experimento, necesitaban la pista de imanes de 15 metros de Brookhaven. Y así, en 2013, el imán emprendió una odisea de 5150 kilómetros, en su mayor parte en barcaza, por la costa este, alrededor de Florida y por el río Misisipi, y luego en camión a través de Illinois hasta Batavia, sede del Fermilab.

El imán se asemejaba a un platillo volador y llamaba la atención cuando era conducido hacia el sur a través de Long Island a 16 kilómetros por hora. “Caminé y hablé con la gente sobre la ciencia que estábamos haciendo”, escribió Polly. “Se quedó una noche en un estacionamiento de Costco. Más de mil personas fueron a verlo y a escuchar sobre la ciencia”.

El experimento se puso en marcha en 2018 con un haz de muones más intenso y el objetivo de recopilar 20 veces más datos que la versión de Brookhaven.

Mientras tanto, en 2020 un grupo de 170 expertos conocido como la Iniciativa de la Teoría del Muon g-2 publicó un nuevo valor consensuado del valor teórico del momento magnético del muon, basado en tres años de talleres y cálculos utilizando el Modelo Estándar. Esa respuesta reforzaba la discrepancia original comunicada por Brookhaven.

Contactada por teléfono el lunes, Aida X. El-Khadra, física de la Universidad de Illinois y copresidenta de la Iniciativa de la Teoría del Muon g-2, dijo que habían estado esperando este resultado durante mucho tiempo.

“Nunca antes había tenido la sensación de estar sentada sobre brasas”, dijo El-Khadra.

El día del anuncio del Fermilab, otro grupo, que utilizó una técnica diferente conocida como cálculo de celosía para estimar el momento magnético del muon, obtuvo una respuesta diferente a la del grupo de El-Khadra, lo que agregó una nueva nota de incertidumbre al procedimiento.

“Sí, afirmamos que no hay ninguna discrepancia entre el Modelo Estándar y el resultado de Brookhaven, ninguna física nueva”, dijo Zoltan Fodor, de la Universidad Estatal de Pensilvania, uno de los autores de un informe publicado en Nature, el miércoles.

El-Khadra, que conocía ese trabajo, lo calificó de “cálculo sorprendente”, pero agregó que debía cotejarse con los resultados independientes de otros grupos.

En la oscuridad

Inspección del anillo Muon g-2, en 2013.Credit...Reidar Hahn/Fermilab vía U.S. Department of Energy

 

El equipo tuvo que adaptarse a otra condición. Para evitar el sesgo humano, y cualquier engaño, los experimentadores participaron en una práctica, llamada cegamiento, que es común en los grandes experimentos. En este caso, el reloj maestro que realiza un seguimiento de la oscilación de los muones se había configurado a una velocidad desconocida para los investigadores. Ese dato estaba en sobres sellados que estaban guardados bajo llave en las oficinas del Fermilab y la Universidad de Washington en Seattle.

En una ceremonia celebrada el 25 de febrero, que fue grabada en video y vista en todo el mundo por Zoom, Polly abrió el sobre del Fermilab y David Hertzog abrió el de la Universidad de Washington. El número se ingresó en una hoja de cálculo, proporcionando una clave para todos los datos, y el resultado apareció generando una serie de exclamaciones de asombro.

“Fue un momento realmente emocionante, porque nadie en el proyecto sabía la respuesta hasta ese momento”, dijo Saskia Charity, becaria posdoctoral del Fermilab que durante la pandemia ha estado trabajando de forma remota desde Liverpool, Inglaterra.

Primero sintieron orgullo por realizar una medición tan difícil, y luego se llenaron de alegría al ver que los resultados coincidían con los de Brookhaven.

“Esto parece ser una confirmación de que Brookhaven no fue una casualidad”, dijo Carena. “Tienen una oportunidad real de romper el Modelo Estándar”.

Los físicos dicen que esta anomalía les ha dado ideas sobre cómo buscar nuevas partículas. Entre ellos se encuentran partículas lo suficientemente livianas como para estar al alcance del Gran Colisionador de Hadrones o su sucesor. De hecho, es posible que algunos ya se hayan registrado, pero son tan raros que aún no han surgido de la tormenta de datos registrados por el instrumento.

Otro candidato llamado Z-prime podría arrojar luz sobre algunos acertijos del Big Bang, según Gordan Krnjaic, cosmólogo del Fermilab.

El resultado del g-2, dijo en un correo electrónico, podría establecer la agenda para la física en la próxima generación.

“Si el valor central de la anomalía observada permanece fijo, las nuevas partículas no pueden esconderse para siempre”, dijo. “Aprenderemos mucho más sobre la física fundamental en el futuro”.

Dennis Overbye se incorporó al Times en 1998 y ha sido reportero desde 2001. Ha escrito dos libros: Lonely Hearts of the Cosmos: The Story of the Scientific Search for the Secret of the Universe y Einstein in Love: A Scientific Romance. @overbye