El magnetismo de muones podría insinuar un colapso del modelo estándar de la física

Una misteriosa propiedad magnética de las partículas subatómicas llamadas muones insinúa que es posible que haya nuevas partículas fundamentales al acecho sin descubrir.

En un experimento minuciosamente preciso, los giros de los muones dentro de un campo magnético parecen desafiar las predicciones del modelo estándar de física de partículas, que describe partículas y fuerzas fundamentales conocidas. El resultado refuerza la evidencia anterior de que los muones, los electrones pesados, se comportan de forma inesperada.

“Es algo muy importante”, dice el físico teórico Bhupal Dev de la Universidad de Washington en St. Louis. “Esta podría ser la señal tan esperada de la nueva física que todos esperábamos”.

El mal comportamiento de los muones podría apuntar a la existencia de nuevos tipos de partículas que alteran las propiedades magnéticas de los muones. Los muones se comportan como pequeños imanes, cada uno con un polo norte y uno sur. La fuerza de ese imán es modificada por partículas cuánticas transitorias que constantemente entran y salen de la existencia, ajustando el magnetismo del muón en una cantidad conocida como anomalía magnética del muón. Los físicos pueden predecir el valor de la anomalía magnética considerando las contribuciones de todas las partículas conocidas. Si alguna partícula fundamental se esconde, sus efectos adicionales sobre la anomalía magnética podrían delatarla.

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Los muones y los electrones comparten un parecido familiar, pero los muones son unas 200 veces más masivos. Eso hace que los muones sean más sensibles a los efectos de hipotéticas partículas pesadas. “El muón da en el blanco”, dice Aida El-Khadra de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Para medir las sutilezas magnéticas del muón, los físicos arrojaron miles de millones de partículas alrededor del enorme imán en forma de rosquilla del experimento Muon g-2 en Fermilab en Batavia, Ill. (SN: 19/09/18). Dentro de ese imán, la orientación de los polos magnéticos de los muones se tambaleó o precesó. En particular, la tasa de esa precesión divergió ligeramente de la expectativa del modelo estándar, informan los físicos el 7 de abril en un seminario virtual, y en un artículo publicado en Cartas de revisión física.

“Este es un experimento realmente complejo”, dice Tsutomu Mibe de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía KEK en Japón. “Este es un trabajo excelente”.

Para evitar prejuicios, el equipo trabajó bajo un secreto autoimpuesto, manteniendo el número final oculto a sí mismos mientras analizaban los datos. En el momento en que finalmente se reveló la respuesta, dice la física Meghna Bhattacharya de la Universidad de Mississippi en Oxford, “Me estaba poniendo la piel de gallina”. Los investigadores encontraron una anomalía magnética de muones de 0,00116592040, con una precisión de 46 millonésimas de porcentaje. La predicción teórica fija el número en 0,00116591810. Esa discrepancia “apunta hacia una nueva física”, dice Bhattacharya.

Una medición anterior de este tipo, de un experimento completado en 2001 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Upton, NY, también parecía no estar de acuerdo con las predicciones teóricas (SN: 15/02/01). Cuando el nuevo resultado se combina con la discrepancia anterior, la medición difiere de la predicción en una medida estadística de 4.2 sigma, tentadoramente cerca del punto de referencia típico de cinco sigma para reclamar un descubrimiento. “Tenemos que esperar más datos del experimento del Fermilab para estar realmente convencidos de que se trata de un descubrimiento real, pero se está volviendo cada vez más interesante”, dice el físico teórico Carlos Wagner de la Universidad de Chicago.

Según la física cuántica, los muones emiten y absorben partículas constantemente en un frenesí que hace que los cálculos teóricos de la anomalía magnética sean extremadamente complejos. Un equipo internacional de más de 170 físicos, codirigido por El-Khadra, finalizó el predicción teórica en diciembre de 2020 en Informes de física.

Muchos físicos creen que esta predicción teórica es sólida y es poco probable que cambie con una mayor investigación. Pero persiste cierto debate. El uso de una técnica computacional llamada celosía QCD para una parte particularmente espinosa del cálculo da una estimación que cae más cerca del valor medido experimentalmente, el físico Zoltan Fodor y sus colegas informan el 7 de abril en Naturaleza. Si el cálculo de Fodor y sus colegas es correcto, “podría cambiar la forma en que vemos el experimento”, dice Fodor, de la Universidad Estatal de Pensilvania, quizás facilitando la explicación de los resultados experimentales con el modelo estándar. Pero señala que la predicción de su equipo tendría que ser confirmada por otros cálculos antes de ser tomada tan en serio como la predicción del “estándar de oro”.

A medida que los físicos teóricos continúen refinando sus predicciones, las estimaciones experimentales también mejorarán: los físicos de Muon g-2 (pronunciado gee-menos-dos) han analizado solo una fracción de sus datos hasta ahora. Y Mibe y sus colegas están planeando un experimento con una técnica diferente en J-PARC, el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón en Tokai, que comenzará en 2025.

Si la discrepancia entre el experimento y la predicción se mantiene, los científicos deberán encontrar una explicación que vaya más allá del modelo estándar. Los físicos ya creen que el modelo estándar no puede explicar todo lo que existe: el universo parece estar invadido por materia oscura invisible, por ejemplo, que las partículas del modelo estándar no pueden explicar.

Algunos físicos especulan que la explicación de la anomalía magnética de los muones puede estar relacionada con los acertijos conocidos de la física de partículas. Por ejemplo, una nueva partícula podría explicar simultáneamente la materia oscura y el resultado de Muon g − 2. O puede haber una conexión con características inesperadas de ciertas desintegraciones de partículas observadas en el experimento LHCb en el laboratorio de física de partículas del CERN cerca de Ginebra (SN: 20/4/17), recientemente reforzado por nuevos resultados publicado en arXiv.org el 22 de marzo.

La medición de Muon g-2 intensificará tales investigaciones, dice Jason Crnkovic, físico de Muon g-2 de la Universidad de Mississippi. “Este es un resultado emocionante porque generará muchas conversaciones”.