El inminente descubrimiento de nuevos poderes de la naturaleza podría cambiar la física tal como la conocemos

Hace siete años, se transportó un imán masivo a más de 5.150 km (3.200 millas) por tierra y mar, con la esperanza de estudiar una partícula subatómica llamada muón.

Los muones están estrechamente relacionados con los electrones que orbitan cada átomo y forman los componentes básicos de la materia. Tanto el electrón como el muón poseen propiedades predichas con precisión por la mejor teoría científica actual que describe el mundo cuántico bajo un sistema atómico. El modelo estándar de física de partículas.

Toda una generación de científicos se ha dedicado a medir estas propiedades con notable detalle. En 2001, un experimento indicó que una de las propiedades del muón no era exactamente la predicha por el Modelo Estándar, pero se necesitaban nuevos estudios para confirmarlo. Los físicos tomaron parte del experimento de un nuevo acelerador, en Fermilab, y comenzaron a tomar más datos.

a Nueva medida Ahora confirme el resultado preliminar. Esto significa que pueden existir nuevas partículas o fuerzas que no se tuvieron en cuenta en el modelo estándar. Si este fuera el caso, las leyes de la física tendrían que ser revisadas y nadie sabía a dónde podría conducir esto.

Este último resultado proviene de la cooperación internacional, de la que ambos formamos parte. Nuestro equipo utiliza aceleradores de partículas para medir una propiedad llamada momento magnético del muón.

Cada muón se comporta como una pequeña barra magnética cuando se expone a un campo magnético, un efecto llamado momento magnético. Un muón también tiene una propiedad intrínseca llamada «espín», y la relación entre el devanado y el momento magnético del muón se conoce como factor g. Se esperaría que el electrón y el muón «g» fueran dos, por lo que g menos dos (g-2) debería medirse como cero. Esto es lo que vivimos en Fermilab.

Para estas pruebas, los científicos utilizaron aceleradores, la misma tecnología que utiliza Cern en el LHC. El Acelerador de Fermilab produce muones en cantidades muy grandes y medidas muy precisas de cómo interactúan con el campo magnético.

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El comportamiento de los muones está influenciado por «partículas virtuales» que aparecen y emergen del espacio. Estos están presentes de pasada, pero lo suficientemente largos como para influir en la forma en que el muón interactúa con el campo magnético y cambiar el momento magnético medido, aunque en una pequeña cantidad.

El modelo estándar predice con mucha precisión, mejor que una parte por millón, cuál será este efecto. Siempre que sepamos qué partículas entran y salen del espacio, el experimento y la teoría deben coincidir. Pero si el experimento y la teoría no coinciden, nuestra comprensión de la hipotética sopa de partículas puede ser incompleta.

Nuevas partículas

La posibilidad de nuevas partículas no es una suposición pasiva. Partículas como estas pueden ayudar a explicar muchos de los grandes problemas de la física. Por qué, por ejemplo, el universo posee Mucha materia oscura Hizo que las galaxias giraran más rápido de lo que esperábamos, y ¿por qué desaparece casi toda la antimateria que se originó en el Big Bang?

El problema hasta ahora era que nadie había visto ninguna de estas nuevas partículas propuestas. Se esperaba que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN provocara una colisión entre protones de alta energía, pero aún no se ha observado.

La nueva medición utilizó la misma técnica utilizada en un experimento en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York, a principios de siglo, que a su vez siguió una serie de mediciones en Cern.

El experimento de Brookhaven midió una discrepancia con el modelo estándar que tenía una probabilidad de 1 en 5,000 de ser una coincidencia estadística. Esta es casi la misma probabilidad que lanzar una moneda 12 veces seguidas, todas levantadas.

Esto fue desconcertante, pero muy por debajo del umbral de detección, que generalmente debe ser mejor que 1 en 1,7 millones, o 21 monedas seguidas. Para determinar si se está trabajando en la nueva física, los científicos tendrán que cuadriplicar la sensibilidad del experimento.

Para mejorar la medición, el imán en el centro del experimento tuvo que ser transportado en 2013 a unas 3.200 millas desde Long Island a lo largo del mar y la carretera, hasta Fermilab, en las afueras de Chicago, donde sus aceleradores podrían producir una abundante fuente de muones.

Una vez que se ha realizado un nuevo experimento sobre imanes con los últimos detectores y equipos. El experimento muon g-2 comenzó a tomar datos en 2017, en colaboración con veteranos del experimento Brookhaven y una nueva generación de físicos.

Los nuevos hallazgos, del primer año de datos en Fermilab, están en línea con la medición del ensayo de Brookhaven. La combinación de los resultados refuerza el desacuerdo entre la analogía experimental y el modelo estándar. Las probabilidades ahora se encuentran en aproximadamente una en 40,000 de que la discrepancia sea una coincidencia, aún por debajo del umbral de descubrir el patrón oro.

LHC

Es interesante que el prof Última observación del experimento LHCb En Cern también encontró posibles desviaciones del Modelo Estándar. Curiosamente, esto también indica las propiedades de los muones. Esta vez hay una diferencia en cómo se producen los muones y electrones a partir de partículas más pesadas. Se espera que las dos tasas sean iguales en el modelo estándar, pero una medición experimental encontró de manera diferente.

Tomados en conjunto, los resultados de LHCb y Fermilab refuerzan el caso de que observamos la primera evidencia de que la predicción del Modelo Estándar falló y que hay nuevas partículas o fuerzas en la naturaleza que deben ser descubiertas.

Para la confirmación final, se necesitan más datos del muón de Fermilab y del experimento LHCb de Cern. Los resultados serán inminentes en los próximos años. Fermilab ya tiene cuatro veces los datos utilizados para este último hallazgo, y actualmente se está analizando, y el Cern está comenzando a tomar más datos y se está construyendo una nueva generación de experimentos de muones. Esta es una era emocionante de la física.

Este artículo antes Themis PocockCatedrático de física de partículas, Universidad de Liverpool Y el Mark LancasterCatedrático de Física, Universidad de Manchester, Se volvió a publicar desde Conversacion Bajo una licencia Creative Commons. Leer el El articulo original.