¿Por qué algunos físicos dudan del experimento de muones que apunta a una “nueva física”?

Una de las cosas más pequeñas del universo podría haber cambiado todo lo que sabemos sobre él.

El Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. (Fermilab) en Illinois reveló el miércoles los resultados tan esperados de un experimento de física de partículas almacenadas conocido como Muon g-2. Los extraños resultados, que mostraron algo muy diferente de lo que predijeron las teorías estándar, sorprendieron a los físicos de todo el mundo y, si se confirman, sugieren que las teorías de la física fundamental pueden estar equivocadas.

“Este es el momento en que la nave espacial aterriza en Marte”, dijo el físico del Fermilab Chris Polley. Contar The New York Times por los resultados.

Datos publicados en la revista Cartas de revisión física, Mostró que las partículas fundamentales llamadas muones se comportan de una manera no predicha por el Modelo Estándar de física de partículas. El modelo estándar es la teoría del patrón oro que explica las cuatro fuerzas conocidas en el universo y todas las partículas fundamentales. El modelo estándar incluso predijo la existencia del bosón de Higgs décadas antes de que fuera descubierto experimentalmente en 2012.

“Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestras mejores teorías”, dijo Renee Fatimi, física de la Universidad de Kentucky y directora de simulación del experimento Muon g-2. En un comunicado de prensa.

Las partículas antes mencionadas, conocidas como muones, se comportan de manera extraña cuando se exponen a un fuerte campo magnético en un fermilab. Este extraño resultado puede ser el resultado de una nueva partícula fundamental aún no descubierta, que probablemente cambiará todo lo que los humanos saben sobre física.

Pero no todos los físicos compran los resultados. La razón está relacionada en parte con un número llamado sigma.

Buscando sigma

En física, como en la mayoría de las ciencias que involucran experimentos, los resultados experimentales de uno se distinguen por un número, Sigma, Esto transmite la probabilidad de que dicho resultado sea una posibilidad aleatoria.

Suponga que formuló una teoría que dice que las monedas siempre aparecerán claramente, luego realiza un experimento en el que lanza una moneda 100 veces y ve que su moneda aparecerá cada vez. De hecho, podría suceder, de hecho, sucedería una vez cada mil veces, pero sus resultados, aunque impactantes al principio, no harán que se replantee la teoría del lanzamiento de monedas. Esto se debe a que la volatilidad de 100 no es suficiente para que los ensayos justifiquen un número sigma que denotaría una condición de “verdadero sin un ápice de duda”. Esto requerirá una puntuación de 5 sigma, que corresponde a una probabilidad de 1 en 30 millones de que su experiencia fue una casualidad.

El experimento de Fermilab con muones fue un seguimiento de un experimento en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001, que tuvo una significación de aproximadamente 3,7 sigma. En combinación con los resultados de Fermilab, el valor sigma aumentó a 4,2 sigma; 5 es el estándar de oro para que los científicos reclamen un nuevo descubrimiento.

En otras palabras, el experimento Muon g-2 no alcanzó la barra estándar de oro de cinco sigma.

Una vez en un muón azul

A pesar de ser una de las doce partículas básicas del universo, los muones rara vez se ven; Tienen propiedades similares a los electrones cotidianos, en el sentido de que llevan una carga y, sin embargo, tienen una masa mucho mayor que sus contrapartes electrónicas. Los muones tienen una vida útil muy corta: después de que se crean en colisiones de alta energía, como cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra, se desintegran en promedio 1,56 microsegundos más tarde. Uno de los grandes misterios de la física es que algunas de las partículas fundamentales del universo no estarán equipadas para sobrevivir en este universo.

Al igual que su primo electrónico, los muones tienen un magnetismo interno; Como cualquier imán, se puede manipular y reutilizar en presencia de campos magnéticos. Los aceleradores de partículas en Fermilab pueden producir muones en grandes cantidades, que es lo que hicieron los investigadores de Fermilab para el experimento Muon g-2: rastrearon cómo los muones interactúan en un acelerador de partículas en presencia de un fuerte campo magnético.

En tal campo magnético, el muón oscila de una manera determinada por un número intrínseco conocido como factor g. Este número cambia según el entorno del muón y las interacciones con otras partículas. Muon g-2 está diseñado para medir el factor g de un muón con una precisión muy alta.

Simplemente, lo que sucedió en el experimento Muon g-2 es que el resultado esperado es diferente de lo que dicta la teoría. Sobre el papel, la discrepancia parece mínima. Según el modelo estándar, un factor g aceptable para un muón es 2,00233183620. Pero el nuevo experimento arrojó resultados en 2.00233184122, una diferencia de 0.00000000502.

Eso puede parecer pequeño. Pero para una teoría que predijo con precisión las propiedades de las partículas en números más que eso, la discrepancia es enorme.

“Esta cantidad que medimos refleja las interacciones de muones con todo lo demás en el universo”, dijo Fatemi. “Pero cuando los teóricos calculan la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtenemos la misma respuesta”.

Una nube de muón, un grano de sal.

Sin embargo, a pesar de la emoción del equipo de Fermilab, algunos físicos se muestran cautelosos con los resultados.

“Hay muy pocas dudas que se han lanzado”, dice Bruce Schum, profesor de física en la Universidad de California-Santa Cruz y autor de Libro popular En la forma estándar, le dijo al salón. Shum ha confirmado el éxito del modelo estándar hasta ahora. Señaló que “cuando se miden y comparan pronósticos basados ​​en todo lo que sabemos, el modelo estándar, hay poca preocupación de que este cálculo no se haya hecho del todo correctamente”.

Avi Loeb, ex presidente del departamento de astronomía de la Universidad de Harvard, se mostró más optimista sobre los resultados, pero señaló con cautela.

“La medición es interesante, pero su significación estadística de 4,2 SD no alcanzó el estándar de oro en los datos de física de partículas de 5”, dijo Loeb a Salon por correo electrónico. “Además, no está claro si la anomalía representa una nueva física o un error de cálculo teórico; alrededor de media docena de grupos teóricos calculan el valor esperado y las incertidumbres teóricas oscurecen la importancia de la contradicción”.

“A lo largo de los años, muchas anomalías solo parecieron desaparecer, dejando el Modelo Estándar de física de partículas sin cambios”, agregó Loeb.

De hecho, esto es cierto y habla de la eficacia del Modelo Estándar. Una anomalía anterior apareció en 2018, que es Experiencia – hizo experimentos Lo que implicó unir muones a protones y luego medir el radio de un protón condujo a un resultado extraño para un protón. El ancho del protón observado, cuando se unió al muón, fue aproximadamente un 4 por ciento más corto de lo esperado. Algunos físicos han especulado que el resultado podría explicarse por la “nueva física”: dimensiones no espaciales, nuevas partículas fundamentales o algo similar. Estudios futuros Se encontraron valores más cercanos a los esperados para el ancho del protón; Pero estos no tenían los valores sigma para ser definitivos. A partir de 2020, el jurado aún está deliberando, pero la nueva física parece menos probable.

Con respecto a los resultados del Muon g-2, Shum dijo que los físicos saben que parece haber un “nuevo efecto” con los muones en este momento. Pero eso no significa que se hayan descubierto nuevas partículas, todavía.

“Si hay un nuevo efecto, todo lo que sabemos es que es probable que haya una nueva partícula que pueda detectarse asociada con este efecto”, dijo Shum.

¿Podría el modelo estándar seguir siendo incorrecto?

“Definitivamente es una exageración decir que el Modelo Estándar está amenazado”, dijo Shum. “El Modelo Estándar siempre ha sido conocido, desde el día en que fue inventado, como lo que se llama la“ Teoría Efectiva ”. Shum comparó el Modelo Estándar con la“ punta de un iceberg ”, en la que la punta se observa y se comprende bien incluso si no sabemos exactamente qué hay bajo el agua. cantidad de dinero [the Standard Model] Nunca caerá como una representación de esa cumbre de un iceberg “.

Shum comparó este escenario con la relación entre las leyes de Newton y Teoría de la relatividad de Einstein Señalando que Albert Einstein no ignoró las leyes de Newton, sino que se basó en ellas. En otras palabras, si hay una nueva partícula, es poco probable que se descarte el Modelo Estándar, sino que se construya sobre él.

Dejando de lado la precaución, si la discrepancia es confirmada por experimentos futuros, no solo cambiará la física, sino que puede mejorar nuestra comprensión del universo, y posiblemente incluso explicar fenómenos inexplicables como Materia oscura, Que puede estar relacionado con Partículas no descubiertas.

“Si la paradoja se demuestra a través de mejoras futuras en datos experimentales y cálculos teóricos, entonces las nuevas partículas involucradas pueden estar asociadas con la materia oscura en el universo”, dijo Loeb. “En este momento, no conocemos la naturaleza de la mayor parte de la materia en el universo. Saber esto nos ayudará a comprender cómo las galaxias como la Vía Láctea se han agrupado a lo largo de la historia cósmica”.

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