C'è una nuova misurazione del magnetismo dei muoni. Ciò che significa non è chiaro.

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

Al hacer un 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 los investigadores del experimento Muon g-2 el 10 de agosto en un seminario organizado por Fermilab en Batavia, IL.

Las 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 física de partículas, que describe las partículas subatómicas y las fuerzas que las unen.

Muchos físicos esperaban que la discrepancia de los muones podría estar insinuando una falla en la teoría incondicional que podría conducir a una mejor comprensión del universo. Pero varias sorpresas científicas recientes han confundido la predicción teórica de la fuerza del diminuto imán del muón, lo que dificulta saber si la medición apunta a una nueva física o a un problema no resuelto con la predicción.

Los muones pertenecen a la misma familia de partículas que los electrones, pero tienen una masa unas 200 veces mayor. Estas partículas de vida corta se comportan como imanes en miniatura, cada uno con su propio campo magnético. La fuerza de ese imán se ajusta por un extraño efecto de la física cuántica. El espacio vacío está lleno de una ráfaga constante 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 momento magnético anómalo o "g-2" en las ecuaciones físicas, es lo que ha desconcertado a los físicos.

Curiosamente, las partículas desconocidas para la ciencia podrían cambiar el valor de g−2 que miden los científicos. Así que los indicios previos de un desacuerdo con las predicciones del modelo estándar han generado un alboroto 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, investigador de Muon g-2, físico de la Universidad de Washington en Seattle. “Básicamente nos está dando esta ventana directa a cómo funciona el universo”.

El primer indicio de una discrepancia entre la predicción y las mediciones de g−2 provino de un experimento en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, N.Y., completado hace más de dos décadas (SN: 15/2/01). Luego, en 2021, el experimento Muon g-2, con sede en Fermilab, informó sus primeros resultados, lo que confirma la discrepancia (SN: 7/4/21).

Ahora, Muon g-2 ha duplicado su precisión en una medición de magnetismo actualizada, informaron los investigadores en el seminario 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 impresionante y sin precedentes”, dice el físico Carlos Wagner de la Universidad de Chicago, que no participó en el experimento. “Simplemente estoy asombrado”. La nueva medición incorpora cuatro veces más datos que la anterior, entre otras mejoras que potencian la precisión.

Los científicos pretenden 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 una cuidadosa consideración, un grupo de físicos teóricos llamado Muon g-2 Theory Initiative llegó a una predicción consensuada de que podían compararse con las mediciones. Pero desde entonces, ha surgido información nueva y contradictoria de otros experimentos y cálculos teóricos, detallada en una declaración publicada el 9 de agosto en el sitio web de Muon g-2 Theory Initiative. Esa información ha dejado la predicción incierta.

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

La confusión depende de una parte particularmente desafiante del cálculo de g−2. Conocida como la 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 compañero de antimateria, un antiquark. Los quarks son una clase de partículas que forman partículas más grandes conocidas como hadrones, que incluyen protones y neutrones. El quark y el antiquark interactúan antes de aniquilarse de nuevo en un fotón virtual.

Los científicos han ideado dos formas principales de calcular este término de polarización de vacío hadrónico. La forma convencional implica el uso de ciertos datos experimentales como entrada para el cálculo. Esos datos provienen de experimentos que miden cómo los electrones y sus partículas de antimateria, los positrones, chocan y producen hadrones. Se cree que los resultados de tales experimentos se entienden bien.

Pero un experimento reciente, CMD-3, en el colisionador de partículas VEPP-2000 en Novosibirsk, Rusia, no está de acuerdo con esos otros experimentos, informaron los investigadores en febrero en arXiv.org. Si este valor atípico es correcto, eso sugeriría que los indicios de desacuerdo entre las mediciones de muones y la predicción podrían ser más débiles de lo que se pensaba.

Una segunda forma de estimar el espinoso término de polarización del vacío hadrónico utiliza un método llamado cromodinámica cuántica de celosía. Esa técnica implica dividir matemáticamente el espacio-tiempo en una cuadrícula para hacer que los cálculos sean más manejables. Recientemente, los científicos han logrado hacer tales cálculos lo suficientemente precisos para realizar comparaciones útiles.

En 2021, un grupo apodado "BMW" publicó su cálculo de la contribución de la polarización del vacío hadrónico en Nature. Esa estimación apuntaba a una mayor armonía entre la predicción y la medición de g−2 y no estaba de acuerdo con el enfoque basado en datos. Pero la técnica exigía confirmación. Desde entonces, otros científicos han realizado sus propios cálculos reticulares para verificar una parte del resultado de BMW. Esos equipos obtuvieron resultados similares a los de BMW, aumentando la confianza en el método de celosía.

El enfoque ahora se ha alejado del escrutinio de la medición experimental y, en cambio, está dirigido a analizar el desacuerdo entre las diferentes técnicas teóricas.

“El experimento ha funcionado”, dice el físico teórico Thomas Teubner de la Universidad de Liverpool en Inglaterra, miembro de la colaboración Muon g-2. Ahora, para averiguar si los muones se mantienen con el modelo estándar o lo descifran, depende de los físicos teóricos, dice. “Tenemos que poner nuestra casa en orden”.