La nueva puntuación Muon g-2 mejora la medición por un factor de 2

En el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (también conocido como Fermilab), un equipo internacional de científicos está realizando algunas de las pruebas más sensibles del modelo estándar de física de partículas. El experimento, conocido como Muon g-2, mide el momento dipolar magnético anómalo de los muones, que son partículas fundamentales que tienen carga negativa (como los electrones) pero más de 200 veces más masivas. En un logro reciente, los científicos del Fermilab han hecho que el mundo La medida más precisa del momento magnético anómalo del muón, mejorando la precisión de sus mediciones anteriores por un factor de 2.

Los resultados fueron anunciados el jueves 10 de agosto y se describen en un Papel cientifico Enviado por Muon g-2 cooperación a publicar. Según explican, el nuevo resultado se basa en datos obtenidos durante los primeros tres años del experimento, que registró un momento magnético anómalo (gramo) con una precisión de 0,20 ppm. Este nuevo valor respalda los resultados del primer año del ensayo, que se anunciaron en abril de 2021, y resuelve la discrepancia entre la teoría y los resultados experimentales observada por primera vez hace más de 20 años.

Para desglosarlo, los físicos usan el modelo estándar para explicar cómo se comporta el universo en un nivel fundamental (el reino cuántico). Según este modelo, toda la materia está compuesta de partículas elementales que se dividen en dos clases: fermiones y bosones. Mientras que los bosones se dividen en dos subgrupos, calibre (portadores de fuerza) y bosones escalares, los fermiones se dividen en quarks y leptones, que se dividen en tres «generaciones». Los muones pertenecen a la segunda generación de leptones, que se denominan «neutrinos», y residen entre los neutrinos electrón y tau.

Al igual que los electrones, los muones tienen una pequeña carga eléctrica (? 1 H ) y la mitad de la rotación (introducción) se produce en presencia de un campo magnético. La rapidez con la que se mueven depende de la fuerza y ​​la dirección del campo magnético, conocido como momento magnético (g), cuya teoría predice que debería ser igual a 2. Los muones también interactúan con otras partículas subatómicas que parpadean dentro y fuera de la existencia en los alrededores. «espuma cuántica», que cambia la forma en que interactúa con el campo magnético. El modelo estándar tiene en cuenta todas las interacciones de partículas conocidas y predice cómo cambiará la espuma cuántica gramo.

Sin embargo, los físicos están interesados ​​en encontrar más interacciones posibles que involucren partículas que aún no se han descubierto. Este es el propósito de la colaboración Muon g-2, que reúne a 181 científicos y 40 estudiantes posdoctorales de 33 instituciones en siete países. El experimento comenzó en 1959 en el CERN y continuó hasta 1984. Siguió Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) realizó experimentos entre 1997 y 2001, que proporcionaron los primeros indicios de que el comportamiento de los muones difiere del modelo estándar.

Entre 2017 y 2022, Fermilab llevó a cabo la siguiente fase de ensayos, que finalizó oficialmente el 9 de julio de 2023, luego de seis años de recopilación de datos. Para sus mediciones, la colaboración se basó en un anillo de almacenamiento magnético superconductor construido originalmente para BNL y volado en 2013. Durante los siguientes cuatro años, la colaboración actualizó los instrumentos y adoptó técnicas y simulaciones mejoradas para reducir la incertidumbre g-2 en un factor. de cuatro (en comparación con la puntuación BNL).

Luego, los investigadores pasaron seis años enviando repetidamente un haz de muones a una distancia de 15,24 metros.
(50 pies) anillo de almacenamiento, ya que giraba casi a la velocidad de la luz. En su primer año de funcionamiento, el experimento Fermilab recopiló más datos que todos los experimentos anteriores de factor g de muones combinados, analizando el movimiento de más de 8 mil millones de muones. Con base en los primeros tres años de datos, los resultados del experimento Muon g-2 coincidieron fuertemente con el valor encontrado por el equipo de investigación de BNL. Según el anuncio de Fermilab, el nuevo valor anunciado por la colaboración Muon g-2 es:

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (estadística) +/- 0,00000000019 (sistema)

«Además de ser la medición más precisa hasta la fecha, estos resultados refuerzan los hallazgos anteriores que difieren del modelo estándar. Brendan Casey, científico principal de Fermilab que ha trabajado en el experimento Muon g-2 desde 2008, explicó la importancia de su investigación al Fermilab oficial. presione soltar. «Ya estamos buscando nuevas áreas», dijo. «Estamos determinando el momento magnético del muón con mayor precisión que nunca. Hemos mejorado muchas cosas entre nuestro primer año de recopilación de datos y nuestro segundo y tercer año hasta ahora. Hemos mejorado constantemente el experimento».

Con esta medida, la colaboración logró su objetivo de minimizar las incertidumbres sistémicas causadas por defectos experimentales. La incertidumbre metodológica total también superó el objetivo de diseño en sus primeros tres años, gracias al gran volumen de datos recopilados. «Esta medida es un logro experimental asombroso», dijo Peter Winter, portavoz de la colaboración Muon g-2. “Reducir la incertidumbre sistémica a este nivel es significativo y es algo que no esperábamos lograr pronto”.

El equipo de colaboración pasará los próximos años analizando datos de los últimos tres años del experimento, que esperan completar para 2025. Una vez que los seis datos se hayan incorporado a su análisis, el equipo realizará la medición más precisa de un muón. momento magnético nunca. Mientras tanto, los científicos tienen una medida nueva y mejorada que ayudará a guiar futuros experimentos que van más allá del modelo estándar. El científico del Fermilab Chris Polley, portavoz del experimento actual y estudiante de posgrado en el experimento de Brookhaven, dijo:

«Veinte años después de la conclusión del experimento de Brookhaven, es gratificante que este misterio finalmente se haya resuelto. Hasta ahora hemos analizado menos del 6 % de los datos que finalmente recopilará el experimento. Aunque estos primeros resultados nos dicen que hay una discrepancia interesante con el modelo de referencia, aprenderemos más en los próximos dos años».

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