Hay una nueva medida del magnetismo del muon. Lo que significa no está claro.

Los muones podrían no comportarse como se espera. Pero los científicos no pueden ponerse de acuerdo en qué esperar.

Haciendo balance de cómo las partículas subatómicas se tambalean en un campo magnético, los físicos han determinado una propiedad del imán interno del muón con mayor precisión que nunca, informaron investigadores del experimento Muon g−2 el 10 de agosto en un seminario organizado por Fermilab en Batavia, Illinois.

Mediciones anteriores del magnetismo de los muones no se han alineado con las predicciones teóricas. Esas predicciones provienen de una de las teorías científicas más importantes y cuidadosamente probadas jamás desarrolladas, el modelo estándar de la física de partículas, que describe las partículas subatómicas y las fuerzas que las unen.

Muchos físicos han esperado que la discrepancia de los muones pueda estar insinuando un fallo en la sólida teoría que podría llevar a una mejor comprensión del universo. Pero varias sorpresas científicas recientes han enturbiado la predicción teórica sobre la fuerza del diminuto imán del muón, lo que dificulta saber si la medición apunta a una nueva física o a un problema sin resolver con la predicción.

Los muones pertenecen a la misma familia de partículas que los electrones, pero son aproximadamente 200 veces más masivos. Estas partículas de corta vida útil se comportan como imanes en miniatura, cada una con su propio campo magnético. La fuerza de ese imán se ajusta mediante un extraño efecto de la física cuántica. El espacio vacío está lleno de un constante flujo de partículas que aparecen temporalmente antes de desaparecer. Conocidas como partículas "virtuales", tienen efectos muy reales. Estas partículas transitorias alteran la fuerza del imán del muón en una cantidad que puede calcularse según el modelo estándar.

El valor preciso de este ajuste, conocido como el momento magnético anómalo o "g−2" en las ecuaciones de la física, es lo que ha desconcertado a los físicos.

Sugestivamente, las partículas desconocidas para la ciencia podrían cambiar el valor de g−2 que los científicos miden. Por lo tanto, las pistas anteriores de un desacuerdo con las predicciones del modelo estándar han generado un revuelo entre los físicos.

"El comportamiento de los muones que estamos midiendo se ve afectado por todas las fuerzas y partículas del universo", dice Brynn MacCoy, investigadora de Muon g−2 y física de la Universidad de Washington en Seattle. "Básicamente nos brinda esta ventana directa hacia cómo funciona el universo".

La primera indicación de una discrepancia entre la predicción y las mediciones de g−2 provino de un experimento en el Brookhaven National Laboratory en Upton, Nueva York, completado hace más de dos décadas. Luego, en 2021, el experimento Muon g−2, con sede en Fermilab, informó sus primeros resultados, confirmando la discrepancia.

Ahora, el experimento Muon g−2 ha duplicado su precisión en una medida actualizada del magnetismo, informaron los investigadores en el seminario de Fermilab y en un artículo publicado el 10 de agosto en el sitio web de la colaboración Muon g−2.

"Alcanzar ese nivel de precisión es realmente sin precedentes y realmente impresionante", dice el físico Carlos Wagner de la Universidad de Chicago, que no estuvo involucrado en el experimento. "Simplemente estoy asombrado". La nueva medición incorpora cuatro veces más datos que la anterior, entre otras mejoras que aumentaron la precisión.

Los científicos tienen como objetivo comparar ese valor medido con la predicción del modelo estándar. Pero determinar qué exactamente predice el modelo estándar es complicado.

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En 2020, después de mucha consideración cuidadosa, un grupo de físicos teóricos llamado Iniciativa Teórica Muón g−2 llegó a una predicción de consenso que pudieron comparar con las mediciones. Pero desde entonces, han surgido nueva información contradictoria de otros experimentos y cálculos teóricos, detallados en un comunicado publicado el 9 de agosto en el sitio web de la Iniciativa Teórica Muón g−2. Esa información ha dejado incierta la predicción.

"No es posible hacer una comparación en este momento y decir si el modelo estándar está de acuerdo o en desacuerdo con el experimento", dice el físico teórico Tom Blum de la Universidad de Connecticut en Storrs.

La confusión recae en un cálculo particularmente desafiante de g−2. Conocido como polarización del vacío hadrónico, se refiere al ajuste resultante de un fotón virtual emitido por el muón que se divide en un quark y su pareja de antimateria, un antiquark. Los quarks son una clase de partícula que forman partículas más grandes conocidas como hadrones, incluyendo protones y neutrones. El quark y el antiquark interactúan antes de aniquilarse en un fotón virtual.

Scientists have come up with two main ways of calculating this hadronic vacuum polarization term. The conventional way involves using certain experimental data as an input to the calculation. Those data come from experiments that measure how electrons and their antimatter particles, positrons, collide and produce hadrons. The results of such experiments are thought to be well understood.

But a recent experiment, CMD-3, at the VEPP-2000 particle collider in Novosibirsk, Russia, disagrees with those other experiments, researchers reported in February at arXiv.org. If this one outlier is correct, that would suggest that the hints of disagreement between muon measurements and the prediction might be weaker than thought.

A second way of estimating the thorny hadronic vacuum polarization term uses a method called lattice quantum chromodynamics. That technique involves mathematically splitting up spacetime into a grid in order to make calculations more tractable. Scientists have only recently managed to make such calculations precise enough for useful comparisons.

In 2021, a group nicknamed “BMW” published their calculation of the hadronic vacuum polarization contribution in Nature. That estimate pointed to a closer harmony between the prediction and measurement of g−2 and disagreed with the data-driven approach. But the technique demanded confirmation. Since then, other scientists have performed their own lattice calculations to check a portion of the BMW result. Those teams obtained similar results to BMW, boosting confidence in the lattice method.

The focus has now shifted away from scrutinizing the experimental measurement and is instead aimed at analyzing the disagreement among different theoretical techniques.

“The experiment has delivered,” says theoretical physicist Thomas Teubner of the University of Liverpool in England, a member of the Muon g−2 collaboration. Now, to figure out if muons are keeping with the standard model or cracking it, it’s up to the theoretical physicists, he says. “We have to get our house in order.”