Los científicos de los laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están colaborando para probar una propiedad magnética del muón. Su experimento podría apuntar a la existencia de la física más allá de nuestro entendimiento actual, incluidas las partículas no descubiertas.

El experimento sigue a uno que comenzó en 1999 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE en el que los científicos midieron la precesión de espín del muón, es decir, la velocidad a la que su giro cambia de dirección, para ser diferente de las predicciones teóricas. Científicos del Laboratorio Nacional Argonne y del Laboratorio Acelerador Nacional Fermi, junto a colaboradores de más de 25 otras instituciones, están recreando el experimento con mucha mayor precisión para confirmar o refutar los primeros resultados anteriores.

El muón es como el (muy) hermano mayor del electrón; tienen el mismo cargo, pero el muón es 200 veces más masivo. Los dos también comparten el mismo giro, propiedad de la mecánica cuántica que determina el comportamiento de una partícula en presencia de un campo magnético.

Las partículas con giro actúan como pequeños imanes, y cuando se coloca en un campo magnético, sus giros cambian de dirección en un movimiento circular, muy parecido a un giroscopio giratorio. La velocidad de la precesión de giro de una partícula está determinada por una cantidad conocida como su factor g, que depende del giro de la partícula y la fuerza del campo magnético en el que se mueve.

En las teorías modernas de la mecánica cuántica, el vacío no está vacío. Está lleno de burbujas de las llamadas partículas virtuales, apareciendo y desapareciendo muy rápidamente. Interacciones entre estas partículas virtuales y una partícula real, como el muon, puede cambiar la forma en que la partícula real interactúa con el campo magnético, afectando su factor g. Los físicos teóricos han calculado, basado en nuestro conocimiento actual de la estructura fundamental de la naturaleza, todas las formas en que cada partícula conocida afecta el factor g del muón, pero las medidas que tomaron los científicos de Brookhaven diferían de lo que esperaban en unas pocas partes por millón. Esta diferencia si persiste en el nuevo experimento, apuntaría a una física completamente nueva, un descubrimiento emocionante para los físicos de partículas.

"Si realmente hay una discrepancia entre los valores pronosticados y medidos, es una prueba más de que el modelo estándar, nuestra comprensión actual del contenido del universo, está incompleto, ", dijo el físico de Argonne Peter Winter." El efecto inesperado podría deberse a una partícula no descubierta ".

En el nuevo experimento, ubicado en Fermilab, un rayo viajará en un círculo a través de un gran, anillo hueco debido a la presencia de un fuerte campo magnético. El mismo campo magnético también conducirá a la precesión de los giros del muón mientras giran alrededor del anillo. Los científicos pueden calcular el factor g detectando la precesión de espín de los muones y conociendo la fuerza del campo magnético en el anillo.

Para lograr la precisión deseada, Tanto la frecuencia de precesión de espín como la fuerza del campo magnético deben medirse con incertidumbres por debajo de 70 partes por mil millones. El grupo de investigación de Argonne se ha encargado de medir el campo magnético con una precisión tan alta. "El juego de nuestro experimento es controlar cualquier incertidumbre sistemática que pueda distorsionar nuestras mediciones precisas, "dijo Winter.

Este nivel de precisión requiere dispositivos de sondeo muy sensibles que los científicos calibraron utilizando campos altamente estables y aislados producidos por máquinas de imágenes de resonancia magnética recicladas en Argonne.

Una vez que calibraron las sondas, los científicos colocaron 17 de ellos en un carro circular que se mueve alrededor del anillo en Fermilab. El carro mide el campo alrededor de las 10, 000 puntos, creando un mapa de la intensidad del campo en todas partes del anillo. El carro descansa sobre dos rieles que corren a lo largo de los lados del tubo, y los científicos mueven el carro alrededor del anillo usando dos cables conectados a carretes motorizados.

"Este carrito tiene que moverse en el vacío, "dijo Ran Hong, un postdoctoral designado por Argonne en el estudio, "así que tanto controlar su movimiento como recibir los datos de las sondas es un gran desafío".

Para perturbar el campo lo menos posible, solo un cable de señal aislado conecta el carro al mundo exterior. Este cable envía información al carro para guiarlo por el bucle, y envía los datos de las sondas a la sala de control.

El sistema más antiguo utilizado en Brookhaven para el experimento de ese laboratorio envió la información utilizando una señal analógica, pero los científicos e ingenieros de Argonne han digitalizado la señal para aumentar la cantidad de datos obtenidos. "El acceso a más datos sin procesar permite un mejor análisis, y ha llevado a un aumento de 10 veces en la precisión, "dijo Winter.

Debido al mayor conjunto de datos digitales, el cable solo puede enviar información en una dirección a la vez. "Tenemos que cambiar entre enviar las instrucciones del carro y recibir los datos, ", dijo Hong." Aproximadamente cada 20 milisegundos, la dirección cambia ".

Los científicos han estado preparando el experimento Muon g-2 durante seis años. Este año, comenzarán a tomar datos oficiales. El experimento durará meses, midiendo la precesión de espín de aproximadamente un billón de muones. Cada dos o tres días el experimento se detendrá para permitir que el carro mida el campo, y sondas más pequeñas en el exterior de la cámara de vacío estimarán el campo en todo momento mientras se ejecuta el experimento.

"A diferencia de los experimentos a gran escala que intentan detectar partículas desconocidas directamente, nuestro enfoque es buscar efectos indirectos que cambien algo a una escala muy pequeña, ", dijo Winter." Al medir con mucha precisión este factor, podemos inferir si hay algo nuevo o no ".

Si los nuevos datos confirman la medición anterior, los científicos planean realizar el experimento con una precisión aún mayor. El análisis de estos nuevos datos podría dar una idea de la naturaleza de la nueva física, y podría indicar qué detector tendría que construirse para observar directamente las posibles nuevas partículas.