UN NOVO EXPERIMENTO SUXIRE QUE UNHA PARTICULA ROMPE AS LEIS COÑECIDAS DA FÍSICA

O anel do Muon g-2, situado entre estantes electrónicos na súa sala de detectores. Este experimento opera a -267 graos Celsius e estuda a precesión (ou baile) dos  muons cando viaxan por un campo magnético / Imaxe: Reidar Hahn/Fermilab

Nun experimento histórico, un equipo de científicos descubriu novas probas de que unha partícula subatómica desobedece unha das teorías máis sólidas da ciencia: o modelo estándar da física de partículas. O desfasamento entre as predicións do modelo e o comportamento da partícula, medido recentemente, indica que o universo podería conter partículas e forzas descoñecidas que están fóra da nosa comprensión actual.

O pasado mércores, nun seminario, os investigadores de Fermilab en Illinois, Estados Unidos, anunciaron os primeiros resultados do experimento Muon g-2, que desde 2018 mediu unha partícula chamada muon, un primo máis pesado do electrón que se descubriu na década de 1930.

Do mesmo xeito que os electróns, os muons teñen carga negativa e unha propiedade cuántica chamada espín, que fai que as partículas actúen com abuxainas diminutas que bailan cando as colocan nun campo magnético. Canto máis intenso é o campo magnético, máis rápido é o baile o muon.

O modelo estándar, desenvolto na década de 1970, é a mellor explicación matemática da humanidade para o comportamento das partículas no universo e predí a frecuencia do baile dun muon con extrema precisión. Con todo, en 2001, o Laboratorio Nacional de Brookhaven en Upton, Nova York, descubriu que os muons parecen bailar lixeiramente máis rápido do que predí o modelo estándar.

Agora, dúas décadas despois, o experimento Muon g-2 de Fermilab creou a súa propia versión do experimento de Brookhaven e observou a mesma anomalía. Cando os investigadores combinaron os datos de ambos experimentos, descubriron que as probabilidades de que a discrepancia fose unha coincidencia eran de aproximadamente 1 entre 40.000, un sinal de que outras partículas e forzas poderían influír no comportamento do muon.

Segundo as normas estritas da física de partículas, os resultados aínda non son un «descubrimento». Poida que non se alcance ese limiar ata que os resultados logren unha certeza estatística de 5 sigma, ou unha probabilidade de 1 entre 3,5 millóns de que unha flutuación aleatoria provocase o desfasamento entre teoría e observación, non unha diferenza real.
 

Os novos resultados —que se publicarán nas revistas científicas Physical Review  Letters, Physical Review A&B, Physical Review A e Physical Review D— baséanse en só un seis por cento dos datos totais que se prevé que recompilará o experimento. Se os resultados de Fermilab mantéñense, alcanzar 5 sigma podería levar un par de anos. 

Os resultados de Fermilab equivalen á maior pista en décadas de que existen partículas ou propiedades físicas máis aló do modelo estándar. 

O modelo estándar é posiblemente a teoría científica de máis éxito, capaz de predicións incriblemente precisas sobre o comportamento das partículas fundamentais do universo. Pero os científicos souberon durante moito tempo que o modelo está incompleto. Non inclúe unha descrición da gravidade, por exemplo, e non di nada sobre a misteriosa materia escura que parece estar esparexida polo cosmos.
 

Para pescudar que hai máis aló do modelo estándar, os físicos tentaron levalo aos seus límites en experimentos de laboratorio. Con todo, a teoría superou unha proba tras outra, e mesmo anos de medicións de altas enerxías no Gran Colisionador de Hadróns (LHC), que en 2012 atopou unha partícula que fora predita polo modelo estándar: o bosón de Higgs, que desempeña un papel fundamental á hora de dar masa a outras partículas.

A diferenza do LHC, que fai que as partículas choquen para crear novos tipos de partículas, o experimento Muon g-2 do Fermilab mide as partículas coñecidas con extrema precisión e busca desviacións sutís da teoría do modelo estándar.

O muon é a partícula perfecta para buscar sinais dunha nova física. Sobrevive o tempo suficiente para ser estudado en profundidade no laboratorio —aínda que só son millonésimas de segundo— e, aínda que se espera que se comporte de forma moi parecida ao electrón, ten 207 veces máis masa, o que proporciona un elemento de referencia importante.

Durante décadas, os investigadores examinaron atentamente como afecta a influencia doutras partículas coñecidas aos bailes magnéticos dos muonns. Na escala cuántica —a escala das partículas individuais— as pequenas flutuacións de enerxía maniféstanse como pares de partículas que aparecen e desaparecen, como a escuma nun gran baño de burbullas.

Segundo o modelo estándar, cando os muons mestúranse con este fondo espumoso de partículas «virtuais», o seu  baile é aproximadamente un 0,1 por cento máis rápido do previsto. Este impulso ao  baile do muon denomínase momento magnético anómalo.

Con todo, a predición do modelo estándar só é igual de boa que o seu inventario das partículas do universo. Se o universo contén outras partículas pesadas, por exemplo, modificarían o momento magnético anómalo do muon, posiblemente o suficiente para medilo no laboratorio.

O experimento Muon g-2 comeza cun feixe de muons, que os científicos crean chocando pares de protóns e filtrando minuciosamente os restos subatómicos. Este feixe de muons entra nun anel magnético de 14 toneladas que se usou no experimento de Brookhaven, transportado en barco e en camión desde Long Island a Illinois en 2013.

A medida que os muons dan voltas a este anel, que ten un campo magnético uniforme, os muons  bailantes desintégranse en partículas que chocan contra un conxunto de 24 detectores situados na parede interior do anel. Ao rastrexar a frecuencia con que estas partículas chocan cos detectores, os investigadores poden deducir a velocidade de baileo dos seus muons, algo similar a pescudar a velocidade de rotación dun faro distante observando como se ilumina e escurécese.

O Muon g-2 trata de medir o momento magnético anómalo do  muon cunha precisión de 140 partes por mil millóns, catro veces mellor que o experimento de  Brookhaven. Por outra banda, os científicos tiveron que realizar a mellor predición posible co modelo estándar. Entre 2017 e 2020, 132 teóricos dirixidos por Aida O-Khadra, da Universidade de Illinois, calcularon a predición do baile dos muons da teoría cunha precisión histórica, que era inferior aos valores medidos.

Os novos resultados d  Fermilab proporcionan unha pista importante sobre que podería haber máis aló do modelo estándar, pero os teóricos que tentan descubrir a nova física non teñen un espazo infinito que explorar. Calquera teoría que trate de explicar os resultados do Muon g-2 tamén debe ter en conta a ausencia de partículas novas descubertas polo LHC.

Nalgunhas das teorías propostas, o universo contén varios tipos de bosons de Hyggs, non só o que inclúe o modelo estándar. Outras teorías invocan «leptoquarks» exóticos que causarían novos tipos de interaccións entre muons e outras partículas.

Casualmente, a noticia dos resultados do Fermilab chega dúas semanas despois de que outro laboratorio —o experimento LHCb do CERN— achase probas independentes do comportamento descarriado dos muons. O experimento estuda partículas efémeras chamadas mesóns B e segue a súa desintegración. O modelo estándar predí que algunhas destas partículas en desintegración expulsan pares de muons. Con todo, o LHCb achou probas de que estas desintegracións de muons ocorren con menos frecuencia do previsto e as probabilidades de que o resultado do experimento fose unha casualidade son de aproximadamente una entre mil.

O seguinte paso é replicar os resultados. Os achados do Fermilab baséanse na primeira execución do experimento, que terminou a mediados de 2018. Actualmente, o equipo está a analizar outras dúas series de datos. Se estes datos son similares aos do primeiro experimento, poderían bastar para converter a anomalía nun descubrimento en toda regra a finais de 2023.

Os teóricos tamén están a empezar a examinar con lupa a predición do modelo estándar, sobre todo as partes que son máis difíciles de calcular. Os novos métodos de supercomputación denominados simulacións de redes deberían axudar, pero os resultados preliminares discrepan lixeiramente con algúns dos valores que incluíu o equipo El-Khadra no seu cálculo teórico. Tardaranse anos en examinar estas diferenzas e ver como afectan á procura dunha nova física.

FONTE:Michael Greshko/nationalgeographic.es/ciencia