En 2001 en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, una instalación utilizada para la investigación en física nuclear y de altas energías, Los científicos que experimentaban con una partícula subatómica llamada muón encontraron algo inesperado.

Para explicar las fuerzas físicas fundamentales que operan en el universo y predecir los resultados de experimentos con partículas de alta energía como los llevados a cabo en Brookhaven, Fermilab en Illinois, y en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra, Suiza, Los físicos se basan en la teoría de décadas de antigüedad llamada Modelo Estándar, lo que debería explicar el comportamiento preciso de los muones cuando se disparan a través de un campo magnético intenso creado en un anillo de almacenamiento magnético superconductor. Cuando el muón en el experimento de Brookhaven reaccionó de una manera diferente a sus predicciones, los investigadores se dieron cuenta de que estaban al borde de un descubrimiento que podría cambiar la comprensión de la ciencia sobre cómo funciona el universo.

A principios de este mes, después de un esfuerzo de décadas que implicó la construcción de sensores más potentes y la mejora de la capacidad de los investigadores para procesar 120 terabytes de datos (el equivalente a 16 millones de fotografías digitales cada semana), un equipo de científicos de Fermilab anunció los primeros resultados de un experimento llamado Muon g-2 que sugiere que el hallazgo de Brookhaven no fue casualidad y que la ciencia está al borde de un descubrimiento sin precedentes.

El profesor de física UVA Dinko Počanić ha estado involucrado en el experimento Muon g-2 durante la mayor parte de dos décadas. y UVA Today hablaron con él para aprender más sobre lo que significa.

P. ¿Cuáles son los hallazgos de los experimentos Brookhaven y Fermilab Muon g-2? y por que son importantes

A. Entonces, en el experimento de Brookhaven, Hicieron varias mediciones con muones positivos y negativos, un inestable, primo más masivo del electrón, en diferentes circunstancias, y cuando promediaron sus medidas, cuantificaron una anomalía magnética que es característica del muón con más precisión que nunca. Según la mecánica cuántica relativista, la fuerza del momento magnético del muón (una propiedad que comparte con la aguja de una brújula o un imán de barra) debe ser dos en unidades adimensionales apropiadas, lo mismo que para un electrón. El modelo estándar establece, sin embargo, que no son dos, es un poquito más grande, y esa diferencia es la anomalía magnética. La anomalía refleja el acoplamiento del muón con prácticamente todas las demás partículas que existen en la naturaleza. ¿Cómo es esto posible?

La respuesta es que el espacio en sí no está vacío; lo que pensamos como un vacío contiene la posibilidad de la creación de partículas elementales, dado suficiente energía. De hecho, estas partículas potenciales están impacientes y están virtualmente excitadas, chispeando en el espacio por momentos inimaginablemente cortos en el tiempo. Y tan fugaz como es, esta chispa es "detectada" por un muón, y afecta sutilmente las propiedades del muón. Por lo tanto, la anomalía magnética del muón proporciona una sonda sensible del contenido subatómico del vacío.

Para enorme frustración de todos los físicos en ejercicio de mi generación y los más jóvenes, el Modelo Estándar ha sido tremendamente insensible a los desafíos. Sabemos que hay cosas que deben existir fuera de él porque no puede describir todo lo que sabemos sobre el universo y su evolución. Por ejemplo, no explica la prevalencia de la materia sobre la antimateria en el universo, y no dice nada sobre la materia oscura ni muchas otras cosas, para que sepamos que está incompleto. Y nos hemos esforzado mucho por comprender cuáles podrían ser estas cosas, pero aún no hemos encontrado nada concreto.

Entonces, con este experimento, estamos desafiando el Modelo Estándar con niveles cada vez mayores de precisión. Si el modelo estándar es correcto, debemos observar un efecto que es completamente consistente con el modelo porque incluye todas las posibles partículas que se cree que están presentes en la naturaleza, pero si vemos un valor diferente para esta anomalía magnética, significa que en realidad hay algo más. Y eso es lo que estamos buscando:esta otra cosa.

Este experimento nos dice que estamos al borde de un descubrimiento.

P. ¿Qué papel ha podido desempeñar en el experimento?

R. Me convertí en miembro de esta colaboración cuando recién comenzamos a planificar el seguimiento del experimento de Brookhaven alrededor de 2005, solo un par de años después de que finalizara el experimento de Brookhaven, y estábamos buscando la posibilidad de hacer mediciones más precisas en Brookhaven. Finalmente, esa idea fue abandonada, ya que resultó que podíamos hacer un trabajo mucho mejor en Fermilab, que tenía mejores vigas, muones más intensos y mejores condiciones para experimentar.

Entonces, propusimos que alrededor de 2010, y fue aprobado y financiado por agencias de financiamiento internacionales y estadounidenses. Una parte importante fue financiada por una subvención de Instrumentación de Investigación Importante de la National Science Foundation que se otorgó a un consorcio de cuatro universidades, y UVA fue uno de ellos. Estábamos desarrollando una parte de la instrumentación para la detección de positrones que emergen en desintegraciones de muones positivos. Terminamos ese trabajo y fue exitoso, entonces mi grupo cambió el enfoque a las medidas precisas del campo magnético en el anillo de almacenamiento en Fermilab, una parte fundamental de la cuantificación de la anomalía magnética de muones. Mi colega de la facultad de la UVA, Stefan Baessler, también ha estado trabajando en este problema, y varios estudiantes y postdoctorados de la UVA han participado activamente en el proyecto a lo largo de los años.

P. Fermilab ha anunciado que estos son solo los primeros resultados del experimento. ¿Qué debe suceder antes de que sepamos lo que significa este descubrimiento?

R. Depende de cómo resulten los resultados de nuestro análisis de los segmentos de ejecución aún no analizados. El análisis de la primera ejecución duró unos tres años. La carrera se completó en 2018, pero creo que ahora que hemos resuelto algunos de los problemas del análisis, podría ir un poco más rápido. Entonces, en unos dos años no sería descabellado tener el siguiente resultado, que sería un poco más preciso porque combina las carreras dos y tres. Entonces habrá otra carrera y probablemente terminemos de tomar datos en otros dos años más o menos. El final exacto de las mediciones todavía es algo incierto, pero yo diría que dentro de cinco años, Talvez pronto, deberíamos tener una imagen muy clara.

P. ¿Qué tipo de impacto podrían tener estos experimentos en nuestra vida cotidiana?

R. Una forma es llevar tecnologías específicas al extremo para resolver diferentes aspectos de la medición para obtener el nivel de precisión que necesitamos. El impacto probablemente vendría en campos como la física, industria y medicina. Habrá spin-offs técnicos, o al menos mejoras en las técnicas, pero cuáles saldrán de esto, es difícil de predecir. Generalmente, presionamos a las empresas para que fabriquen los productos que necesitamos que de otro modo no harían, y luego se abre un nuevo campo para ellos en términos de aplicaciones para esos productos, y eso es lo que sucede a menudo. Se inventó la World Wide Web, por ejemplo, porque los investigadores como nosotros necesitábamos poder intercambiar información de manera eficiente a grandes distancias, alrededor del mundo, De Verdad, y así es como tenemos, bien, navegadores web, Zoom, Amazon y todo este tipo de cosas hoy.

La otra forma en que nos beneficiamos es educando a científicos jóvenes, algunos de los cuales continuarán en carreras científicas y académicas como yo, pero otros pasarán a diferentes campos de actividad en la sociedad. Traerán consigo una experiencia en técnicas de medición y análisis de muy alto nivel que normalmente no se encuentran en muchos campos.

Y luego, finalmente, otro resultado es la mejora intelectual. Un resultado de este trabajo será ayudarnos a comprender mejor el universo en el que vivimos.

P. ¿Podríamos ver más descubrimientos como este en un futuro próximo?

A. Sí, Hay toda una clase de experimentos además de este que analizan pruebas altamente precisas del Modelo Estándar de varias maneras. Siempre recuerdo el viejo adagio de que si pierdes las llaves en la calle a altas horas de la noche, primero los vas a buscar debajo de la farola, y eso es lo que estamos haciendo. Entonces en todas partes hay una farola estaban mirando. Este es uno de esos lugares, y hay varios otros, bien, Yo diría decenas de otros si también incluye búsquedas de partículas subatómicas como axiones, candidatos a materia oscura, procesos exóticos como la desintegración beta doble, y ese tipo de cosas. Uno de estos días, se encontrarán cosas nuevas.

Sabemos que el Modelo Estándar está incompleto. No esta mal en la medida en que va, pero hay cosas fuera de ella que no incorporan, y los encontraremos.