Para investigar un nuevo comportamiento de los muones, el Laboratorio Fermi (Fermilab) en Illinois, Estados Unidos, realizó un nuevo experimento en su acelerador de partículas. Crédito de la imagen: Fermilab
Existe una discrepancia entre los valores obtenidos en experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas y los valores teóricos del momento magnético de un muon. Esta discrepancia podría ser el resultado de una subestimación de los datos experimentales del canal de dos piones.
El momento magnético es una propiedad intrínseca de una partícula con espín que surge de la interacción del campo magnético de la partícula con un imán u otro objeto. El momento magnético, al igual que la masa y la carga eléctrica, es una de las magnitudes fundamentales en la física.
Existe una discrepancia entre los valores obtenidos en experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas y los valores teóricos del momento magnético de un muon, una partícula de la misma clase que el electrón. Aunque la diferencia solo se encuentra en el octavo decimal, los científicos han estado interesados en ella desde su descubrimiento en 1948.
No es un detalle, pero puede revelar si el muon tiene una interacción con partículas de materia oscura u otros bosones de Higgs, o incluso si hay fuerzas desconocidas involucradas en el proceso.
La ecuación de Dirac, creada por el físico inglés Paulo Dirac (1902-1984), quien fue galardonado con el Premio Nobel en 1933 y fue uno de los creadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica, proporciona el valor teórico del momento magnético del muon, representado por la letra g, como 2. Sin embargo, los experimentos han demostrado que g no es exactamente 2, y hay un gran interés en comprender «g-2», es decir, la diferencia entre el valor experimental y el valor predicho por la ecuación de Dirac.
El valor experimental más preciso disponible en la actualidad, que fue obtenido con un impresionante grado de precisión en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi de EE. UU. en agosto de 2023, tiene un rango de incertidumbre de aproximadamente 0,00000000022.
Según el físico Diogo Boito, profesor del Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP) de la Universidad de São Paulo, la determinación precisa del momento magnético del muon se ha convertido en una cuestión clave en la física de partículas, ya que la investigación de esta brecha entre los datos experimentales y la predicción teórica puede proporcionar información que podría conducir al descubrimiento de algún nuevo efecto espectacular.
La revista Physical Review Letters publicó un artículo sobre el tema de Boito y colaboradores
Dos importantes eventos internacionales presentaron nuestros hallazgos. Boito expresó que primero lo hizo por él mismo en un taller en Madrid, España, y luego por su colega Maarten Golterman de la Universidad Estatal de San Francisco en una reunión en Berna, Suiza.
Estos hallazgos cuantifican e indican la fuente de la discrepancia entre los dos métodos utilizados para hacer predicciones actuales del muon g-2.
En la actualidad, existen dos técnicas disponibles para identificar un componente esencial de g-2. El primero se basa en datos experimentales, mientras que el segundo se basa en simulaciones por computadora de la cromodinámica cuántica, también conocida como QCD, la teoría que estudia las fuertes interacciones entre quarks. Estos dos métodos generan Un gran problema es que los resultados son muy diferentes. Según explicó, es imposible llevar a cabo investigaciones sobre las aportaciones de posibles partículas extraterrestres, como los bosones de Higgs recién descubiertos o la materia oscura, a g-2.
El estudio logró aclarar la diferencia, sin embargo, para comprenderla es necesario retroceder unos pasos y comenzar de nuevo con una explicación más detallada del muon.
El muon, al igual que el electrón, es una partícula de la clase de leptones con una masa mucho mayor. Como resultado, es inestable y dura muy poco en ambientes con alta energía. En presencia de un campo magnético, los muones se desintegran y se reagrupan para formar una nube de otras partículas como fotones, bosones de Higgs, bosones W y Z y positrones.
Como resultado, en los experimentos, los muones siempre están acompañados de una gran cantidad de otras partículas virtuales. Sus aportes hacen que el momento magnético real medido en experimentos sea mayor que el momento magnético teórico calculado por la ecuación de Dirac, que es igual a 2.
Es necesario tener en cuenta todas estas contribuciones para obtener la diferencia [g-2], tanto las predichas de QCD [en el Modelo Estándar de física de partículas] como otras que son más pequeñas, pero aparecen en mediciones experimentales de alta precisión. Boito afirmó que conocemos ampliamente algunas de estas contribuciones, pero no todas.
Hay dos opciones para calcular los efectos de la interacción fuerte QCD, ya que son impracticables en algunos regímenes energéticos. Desde hace tiempo se ha utilizado uno de ellos, que se basa en datos experimentales obtenidos de colisiones de electrón-positrón, que producen otras partículas formadas por quarks. El otro es QCD reticular, que solo ha comenzado a competir en los últimos diez años y consiste en imitar el proceso teórico en una supercomputadora.
El problema principal con la predicción del muon g-2 actualmente es que los resultados obtenidos a partir de datos de colisiones de electrón-positrón no coinciden con los resultados experimentales totales, mientras que los resultados basados en QCD reticular sí. Boito afirmó que «nadie sabía por qué, y nuestro estudio aclara parte de este enigma».
Él y sus colegas realizaron su investigación para encontrar una solución a este problema. El artículo presenta los resultados de varios estudios, incluido el desarrollo de un método innovador para comparar los resultados de las simulaciones de QCD de red con los resultados basados en datos experimentales. Explicó: «Mostramos que es posible extraer con gran precisión de los datos las contribuciones que se calculan en el retículo: las contribuciones de los llamados diagramas de Feynman conectados».
En 1965, Richard Feynman, un físico teórico estadounidense que vivió entre 1918 y 1988, recibió el Premio Nobel de Física junto a Julian Schwinger y Shin’ichiro Tomonaga, por su importante labor en la física de partículas elementales y la electrodinámica cuántica. Los diagramas de Feynman, desarrollados en 1948, son representaciones gráficas de las expresiones matemáticas que describen la interacción de esas partículas. Se utilizan para simplificar los respectivos cálculos.
En el estudio, pudimos obtener con gran precisión las aportaciones de los diagramas de Feynman conectados en la conocida como «ventana de energía intermedia». En la actualidad, contamos con ocho resultados para estas contribuciones, los cuales fueron obtenidos a través de simulaciones de red QCD, y todos ellos son muy concordantes. Boito afirmó que los resultados basados en los datos de interacción electrón-positrón difieren de los ocho hallazgos de las simulaciones.
Esto permitió a los investigadores encontrar la fuente del problema y considerar soluciones potenciales. Según él, la discrepancia podría ser el resultado de una subestimación de los datos experimentales del canal de dos piones. Los piones son partículas generadas en colisiones de alta energía que se componen de un quark y un antiquark.
De hecho, los datos más recientes (aún en revisión por pares) del experimento CMD-3 llevado a cabo en la Universidad Estatal de Novosibirsk en Rusia parecen indicar que, por alguna razón, los datos más antiguos del canal de dos piones pueden haber sido subestimados.
REFERENCIAS
Fermilab: https://muon-g-2.fnal.gov/
CMD-3 EXPERIMENT OVERVIEW. Evgeny Solodov / Budker Institute of Nuclear Physics Novosibirsk State University: https://indico.cern.ch/event/466934/contributions/2589593/attachments/1489729/2315859/solodov_cmd3_eps2017.pdf
Data-Driven Determination of the Light-Quark Connected Component of the Intermediate-Window Contribution to the Muon g−2. Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.251803
Data-Driven Determination of the Light-Quark Connected Component of the Intermediate-Window Contribution to the Muon g−2. Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.251803
Fermilab: https://www.fnal.gov/
