Resultados del experimento Muon g-2 sugieren desviaciones del modelo estándar de la física

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Resultados del experimento Muon g-2 sugieren desviaciones del modelo estándar de la física

Fermilab / Flickr

Los resultados de un esperado experimento en física de partículas acaban ser publicados y podrían cambiar la física tal como la conocemos. El valor de la partícula elemental muon ha mostrado una desviación de la teoría. Según el estudio, detallado en Physical Review Letters, indicaría la existencia de partículas o fuerzas aún no descubiertas.

La mayoría de las partículas en el Modelo Estándar tienen su propio momento magnético, es decir pueden ser consideradas como un pequeño imán. La existencia del momento magnético intrínseco se debe principalmente al giro de la partícula.

Según las predicciones, el llamado factor g es igual a 2 y debería aparecer en la expresión del momento magnético del electrón en términos de campos de espín. Esta interacción conduce a un cambio en el valor real del factor g en una milésima. Sin embargo, dicha desviación es justo la que posteriormente se midió con alta precisión en el experimento.

Campo magnético del muon

Los científicos aplicaron consideraciones similares a un muón, otro leptón que es 207 veces más pesado que un electrón. En este caso, uno no puede limitarse a la contribución de la interacción electromagnética a su propio momento magnético.

La gran masa del muón lo lleva al hecho de que su campo magnético comience a verse influenciado por la interacción con campos masivos, en particular, con pares de partículas masivas virtuales, que nacen continuamente y se aniquilan en el vacío.

El Modelo Estándar, considerando todas las partículas incluidas en él, permite predecir la contribución de estos procesos al momento magnético del muón. Por lo tanto, los físicos estaban interesados ​​en medir el momento magnético anómalo del muón.

La desviación de las mediciones de las predicciones teóricas indicaría que el muón interactúa con fuerzas o partículas masivas desconocidas para el Modelo Estándar. Por lo tanto, la desviación del valor esperado en el momento magnético anómalo del muón confirmaría la existencia de una Nueva Física.

Primeras mediciones

Los primeros experimentos para medir el momento magnético anómalo del muón se llevaron a cabo en el CERN. No obstante, fueron los resultados finales del experimento E821 en el Laboratorio Nacional Brookhaven, publicado en 2006, los que causaron sensación.

El valor medido entonces, teniendo en cuenta el error, difería de las predicciones modernas del Modelo Estándar con una precisión estadística de 3.7σ. Un resultado de 5σ sugeriría una probabilidad de 1 entre 3,5 millones de que sucedió por casualidad.

Pero tal precisión no fue suficiente para el descubrimiento oficial, y se decidió crear una instalación similar en Fermilab. Los científicos de este laboratorio estadounidense ya sabían cómo crear haces de muones polarizados de alta densidad.

Así apareció el experimento Muon g-2 en su última variación; quien heredó de su antecesor no solo la metodología, sino también la parte principal de la instalación: un anillo de un imán superconductor transportado desde Long Island a Chicago.

Fuera del Modelo Estándar

Ahora los participantes en el experimento Muon g-2 presentaron las primeras mediciones del momento magnético anómalo del muón, las cuales confirmaron los resultados de E821. El valor obtenido coincide dentro del margen de error con las últimas mediciones y diverge de las predicciones del Modelo Estándar con una precisión estadística de 3.3σ.

El error relativo de medición fue de 0.46 ppm, y juntos los dos resultados mencionados dan un valor con un error de 0.35 ppm y difieren de las predicciones teóricas con una precisión estadística de 4.2σ. Esto significa que los datos encajan en el Modelo Estándar con una probabilidad de uno en aproximadamente 40 mil.

El experimento

En sí se basa en el hecho de que una partícula con un momento magnético anómalo comienza a precesar como un remolino luego de entrar en un campo magnético. Además, la frecuencia de esta precesión depende directamente de la magnitud del momento magnético anómalo de la partícula.

El muón mismo, es una partícula inestable, y en el curso de su desintegración nace un electrón. La dirección de su escape depende de la orientación del muón en el espacio.

Lo anterior fue aprovechado por los científicos y lanzaron haces polarizados de muones con una energía de 3,1 gigaelectronvoltios en un anillo con un campo magnético extremadamente estable de 1,45 Tesla y midieron las distribuciones de emisión de electrones durante la desintegración del muón.

Los físicos monitorearon el propio campo magnético utilizando el efecto de la resonancia magnética nuclear, observando el comportamiento de los protones aislados. Dicha técnica permitió calibrar continuamente las mediciones y lograr una precisión tan relativa de los resultados obtenidos.

Afirman que los resultados obtenidos deberían impulsar la creación de extensiones del Modelo Estándar con nuevos campos y partículas con fuertes interacciones con los leptones.

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