El muón cuestiona las leyes de la física.



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Un operador en el experimento LHCb.
Un operador en el experimento LHCb.CERN

Dos experimentos de alta precisión en Europa y Estados Unidos acaban de detectar rastros de partículas o fuerzas totalmente desconocidas en física. Si se confirmaran estas anomalías, sería un descubrimiento histórico que se ha investigado durante más de medio siglo.

Hace unos días, los líderes del experimento g-2 del laboratorio Fermilab en EE. UU. Anunciaron que tras años de experimentos habían detectado una anomalía en el comportamiento del muón, una partícula elemental con carga negativa similar al electrón pero con 200 veces más masa. La anomalía observada coincide con la ya descubierta por este mismo experimento hace 15 años. El desacuerdo entre teoría y realidad experimental sigue ahí y ahora tiene mayor confiabilidad estadística, lo que puede significar que este experimento vislumbró fenómenos físicos que las teorías actuales son incapaces de explicar.

“Es un resultado muy importante; de momento hay mucha ilusión por intentar explicar lo que está pasando ”, explica Pere Masjuan, físico teórico del Instituto de Física de Altas Energías, en Barcelona, ​​y miembro de la colaboración internacional que calculó los valores teóricos en la mayor cantidad de detalles posible.

Experimentos como el g-2 exploran el territorio de diminutas partículas elementales: quarks, bosones, leptones. Estos son los componentes más pequeños e indivisibles de la materia, los componentes básicos de los átomos que forman toda la materia que los humanos pueden ver y tocar.

El g-2 lanza haces de muones que circulan en el vacío a través de un anillo circular a casi la velocidad de la luz. El vacío nunca está realmente vacío, sino que está poblado por partículas virtuales desconocidas que pueden interactuar con el muón e influir en su comportamiento sin que nadie las vea.

«Hay mucha emoción al tratar de explicar lo que está pasando»

Pere Masjuan, físico teórico

El experimento estadounidense mide una propiedad del muón llamada momento magnético que resulta de sus propiedades cuánticas y se manifiesta como un cambio en su rotación a medida que atraviesa un campo magnético. Estas propiedades «reales» se comparan con las predichas por el modelo estándar, el conjunto de ecuaciones formuladas hace 50 años que hasta ahora ha descrito perfectamente el comportamiento de las partículas elementales. El gran problema de la física es que esta materia convencional constituye solo el 5% del universo. El resto son materia oscura y energía oscura gobernada por partículas y fuerzas que el modelo estándar no puede explicar y que quizás sean las responsables de las extrañas anomalías observadas.

El experimento estadounidense reveló una divergencia de una milmillonésima (nueve decimales) entre el valor real del momento magnético del muón y el teórico. «Esa es una diferencia demasiado grande», reconoce Masjuan. «Una divergencia como esta rompe las reglas del juego, las leyes que dominan la naturaleza», subraya. Por ejemplo, el momento magnético del electrón corresponde a su valor teórico con una precisión 1000 veces mayor.

Estados Unidos y Europa compiten por ser los primeros en descubrir la nueva física

El nivel de confianza del resultado de EE. UU. Es de 4,2 sigma; solo hay una probabilidad de 1 entre 40.000 de que el resultado sea una casualidad. En física de partículas, esto equivale a «pistas» de nueva física. Un descubrimiento requiere cinco sigma, o una probabilidad entre un millón de que el resultado sea pura probabilidad estadística.

El mismo día que los estadounidenses presentaron sus resultados, otro equipo anunció un nuevo cálculo de valor teórico utilizando una técnica alternativa. Los resultados, publicados en Naturaleza, coinciden con lo observado en el acelerador Fermilab. «Ahora mismo los teóricos tenemos que unirnos para volver a analizar nuestros datos», reconoce Masjuan.

Esta carrera es también una batalla geoestratégica en términos científicos entre Estados Unidos y Europa por ser los primeros en descubrir nueva física. El experimento estadounidense ha acumulado solo el 6% de todos los datos que puede recopilar. En unos cuatro años es posible que alcancen cinco sigma.

El experimento g-2 durante su traslado a la sede del Fermilab en 2013.
El experimento g-2 durante su traslado a la sede del Fermilab en 2013.Fermilab

Unas semanas antes del anuncio de los resultados del g-2, otro experimento en el laboratorio europeo de física de partículas CERN en Ginebra reveló otro tipo de anomalía que también tiene que ver con los muones. Los responsables del experimento LHCb instalado en el acelerador de partículas más potente del mundo tienen la tarea de estudiar las desintegraciones de estas y otras partículas para ver si coinciden con las predichas por la teoría. El cociente entre las desintegraciones de electrones y muones siempre debe ser 1, pero el experimento muestra un valor de 0,84, lo que indica que incluso aquí puede haber partículas o fuerzas ocultas que afecten el resultado.

En este caso, se logró una confiabilidad de tres sigma, una probabilidad en mil de que sea una coincidencia. Más importante aún, este experimento ha visto anomalías similares con otras desintegraciones durante años. “Llegamos a un momento en el que ya no vemos árboles aislados, sino un bosque de desviaciones y todas ellas son coherentes con la posibilidad de una nueva física”, explica Joaquim Matías, catedrático de la Universitat Autònoma de Barcelona que ha trabajado con los resultados de este experimento. “El anuncio de los resultados del g-2 parecía un poco exagerado porque las divergencias aún podrían desaparecer, pero sobre todo porque todavía hay discusión sobre los cálculos teóricos”, dice.

Aquí es donde entra en juego la necesidad de que los científicos obtengan subvenciones multimillonarias de sus gobiernos para poder continuar con sus experimentos. En un Estados Unidos sumido en la era Trump hasta hace unos meses, el anuncio del G-2 fue crucial. «Vemos una lucha entre ciencia y gobierno», dice Pere Masjuan. «Fue muy importante para los estadounidenses obtener un resultado contundente que justificara la inversión», agrega.

Los resultados de los dos experimentos han conmocionado la imaginación de los físicos de todo el mundo, que se han apresurado a descubrir qué partículas desconocidas podrían causar estas anomalías. Una de las posibles explicaciones es la existencia de leptoquarks, partículas que hasta ahora solo existen en teoría. No serían una, sino varias partículas diferentes que estarían relacionadas con las ya descritas por el modelo estándar y que podrían explicar las observaciones experimentales. “Todos los físicos saben que debe haber una teoría física que sea superior al modelo estándar. Pudimos ver la punta del iceberg, el inicio de toda una teoría más allá de lo que conocemos ”, resume Matías.

Otros físicos independientes piden precaución. «Hay que tener cuidado hasta poder reclamar un descubrimiento», dice Alberto Ruíz-Jimeno, del Instituto Cantábrico de Física e investigador veterano del Fermilab y el CERN. Toni Pich, del Instituto Valenciano de Física Corpuscular, recuerda que ambos experimentos no dejarán de acumular datos. «Esperamos tener nuevos resultados teóricos en los próximos meses», explica. Tenemos que esperar un poco más antes de lanzar las campanas sobre la marcha, pero, en cualquier caso, es un resultado muy importante ”, añade. Luis Álvarez-Gaumé, otro físico veterano del CERN que ahora trabaja en la Universidad Stony Brook de Nueva York, participa en la carrera política por los fondos. “Los resultados del LHCb en Europa tienen más posibilidades de hacerse realidad, mientras que el g-2 tiene que esperar, a pesar de toda la propaganda estadounidense”, apunta.

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