Por décadas, Los científicos que estudian el muón han quedado desconcertados por un patrón extraño en la forma en que los muones giran en los campos magnéticos. uno que dejó a los físicos preguntándose si puede ser explicado por el Modelo Estándar, la mejor herramienta que tienen los físicos para comprender el universo.

Esta semana, un equipo internacional de más de 170 físicos publicó la predicción más confiable hasta ahora para el valor teórico del momento magnético anómalo del muón, lo que explicaría su rotación particular, o precesión. El momento magnético de las partículas subatómicas se expresa generalmente en términos del factor Landé adimensional, llamado g. Si bien varios grupos internacionales han trabajado por separado en el cálculo, Esta publicación marca la primera vez que la comunidad física teórica global se une para publicar un valor de consenso para el momento magnético del muón.

El resultado difiere de la medición experimental más reciente, que se realizó en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2004, pero no lo suficientemente significativo como para responder sin ambigüedades a esta pregunta.

Ahora el mundo espera el resultado del experimento Muon g-2 actual de Fermilab. En los próximos meses, Los físicos que trabajan en el experimento revelarán su medición preliminar del valor. Dependiendo de cuánto difiera el cálculo teórico del Modelo Estándar de la próxima medición experimental, Los físicos pueden estar un paso más cerca de determinar si las interacciones magnéticas del muón apuntan a partículas o fuerzas que aún no se han descubierto.

A finales de la década de 1960 en el laboratorio del CERN, Los científicos comenzaron a usar un gran anillo magnético circular para probar la teoría que describía cómo los muones deberían "bambolearse" cuando se mueven a través de un campo magnético. Desde entonces, los experimentadores han continuado cuantificando ese bamboleo, realizando mediciones cada vez más precisas del momento magnético anómalo del muón.

El esfuerzo de décadas finalmente condujo a un experimento en el Laboratorio Nacional Brookhaven y su sucesor en Fermilab, así como planes para un nuevo experimento en Japón. Al mismo tiempo, los teóricos trabajaron para mejorar la precisión de sus cálculos y afinar sus predicciones.

El valor teórico del momento magnético anómalo del muón, publicado hoy, es:

a =(g-2) / 2 (muón, teoría) =116591810 (43) x 10 ^-12

El resultado experimental más preciso disponible hasta ahora es:

a =(g-2) / 2 (muón, expmt) =116592089 (63) x 10 ^-12

De nuevo, ha persistido la ligera discrepancia entre las mediciones experimentales y el valor previsto, y nuevamente está justo debajo del umbral para hacer una declaración definitiva.

Este valor teórico, publicado en arXiv, es el resultado de más de tres años de trabajo de 130 físicos de 78 instituciones en 21 países.

"No hemos tenido un esfuerzo teórico como este antes en el que todas las diferentes evaluaciones se combinan en una sola predicción del Modelo Estándar, "dijo Aida El-Khadra, físico de la Universidad de Illinois y copresidente del Comité Directivo de la Iniciativa Teoría Muon g-2, el nombre del grupo de científicos que trabajó en el cálculo.

Su trabajo se basa en una única ecuación publicada en 1928 que simultáneamente inició el campo de la electrodinámica cuántica y sentó las bases para el experimento Muon g-2.

Una teoría elegante

Si preguntara a los físicos cuál consideran la ecuación más precisa y exitosa en su campo, hay muchas posibilidades de que algunos digan que es la ecuación de Dirac, que describe la teoría cuántica relativista del electrón. Publicado en 1928, Dirac describió el movimiento de espín de los electrones, y su ecuación cerró la brecha entre la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría de la mecánica cuántica, e involuntariamente predijo la existencia de antimateria con una sola ecuación.

Dirac también pudo calcular algo llamado momento magnético del electrón, que describió como "una ventaja inesperada".

Los electrones se pueden considerar como pequeñas peonzas giratorias que giran sobre su eje, una propiedad intrínseca que hace que cada electrón actúe como un pequeño imán. Cuando se coloca en un campo magnético, como los generados en aceleradores de partículas, los electrones precesarán, o se tambalearán sobre su eje, en un patrón específico y predecible. Este bamboleo es un efecto del momento magnético de la partícula, y se aplica a más de electrones. Cada partícula cargada eléctricamente con ½ espín (el espín se cuantifica en medias unidades) se comporta de la misma manera, incluyendo partículas llamadas muones, que tienen las mismas propiedades que los electrones pero son más de 200 veces más masivas.

Ecuación de Dirac, que no tuvo en cuenta los efectos de las fluctuaciones cuánticas, predijo que g sería igual a 2. El experimento ha demostrado que el valor real difiere de esa simple expectativa, de ahí el nombre "muon g-2".

Los físicos ahora tienen una mejor comprensión de cuáles son esas fluctuaciones cuánticas y cómo se comportan a escalas subatómicas. pero calcular con precisión cómo afectan la trayectoria del muón no es tarea fácil.

"Calcular los efectos de estas fluctuaciones cuánticas en el nivel de precisión exigido por los experimentos modernos no es algo que una persona brillante pueda hacer sola, "El-Khadra dijo." Realmente se necesita todo el pueblo ".

Reunión de las mentes

Con tantos físicos trabajando en los últimos desarrollos de la teoría en todo el mundo, El-Khadra y sus colegas de Fermilab sabían que la mejor manera de facilitar las interacciones entre los grupos era reunirlos a todos. Entonces, a partir de 2016, El-Khadra y sus colegas del Fermilab Theory Group, junto con el científico del Laboratorio Nacional de Brookhaven, Christoph Lehner, Copresidente de Theory Initiative, y varios otros colaboradores internacionales se acercaron a los líderes de la comunidad global de físicos que trabajan en este problema para armar una nueva iniciativa, la Iniciativa de la Teoría Muon g-2. La iniciativa, dirigido por un Comité Directivo de nueve personas que incluye líderes de todos los esfuerzos principales tanto en teoría como en experimentos, organizó una serie de talleres en todo el mundo, incluso en los EE. UU., Japón y Alemania, el primero de los cuales se celebró en Fermilab en 2017.

"Tuvimos algunas discusiones muy intensas, "El-Khadra dijo, "Eso condujo a comparaciones más detalladas y una mejor comprensión de los pros y los contras de los distintos enfoques".

El establecimiento de la Iniciativa de la Teoría Muon g-2 fue el primer esfuerzo internacional coherente para reunir a todas las partes que trabajan en el valor del Modelo Estándar del momento magnético anómalo del muón.

"Antes de que comenzara esta iniciativa, hubo una serie de evaluaciones en la literatura del valor del Modelo Estándar, cada uno de los cuales difería ligeramente de los demás, "dijo el científico de la Universidad de Boston Lee Roberts, cofundador del experimento Fermilab y miembro del Comité Directivo de la iniciativa. "Lo notable es que esta comunidad mundial pudo unirse y ponerse de acuerdo sobre el 'mejor' valor para cada una de las contribuciones al valor del momento magnético del muón".

Cálculos cuánticos

"Los muones y otras partículas de espín ½ nunca están realmente solos en el universo, "dijo el científico del Fermilab Chris Polly, quien es uno de los portavoces de Muon g-2, junto con el físico Mark Lancaster de la Universidad de Manchester. "Ellos interactúan con todo un séquito de partículas que están apareciendo y desapareciendo constantemente".

Las dos fuentes principales de incertidumbre son la polarización al vacío hadrónica y la dispersión de luz a luz, en la que un muón emite y reabsorbe fotones después de haber viajado a través de una burbuja de quarks y gluones. Ambos factores se combinan para representar menos del 0.01% del efecto sobre la oscilación del muón, pero constituyen la principal fuente de incertidumbre en el cálculo de la teoría.

Calcular la parte de dispersión luz por luz de la contribución hadrónica ha demostrado ser especialmente difícil, y antes del inicio de la Iniciativa Teórica Muon g-2, los físicos aún no habían producido estimaciones fiables de sus efectos. Lo mejor que pudieron manejar fueron aproximaciones aproximadas que llevaron a algunos a preguntarse si estas evaluaciones de la dispersión luz por luz podrían ser la fuente de la diferencia entre el momento magnético anómalo calculado por el muón y el valor medido experimentalmente.

Pero los teóricos ahora confían en que pueden resolver estas dudas. Gracias a los esfuerzos heroicos de los últimos años dentro de la comunidad teórica, no sólo uno, pero ahora hay dos evaluaciones independientes disponibles, cada uno con incertidumbres estimadas de forma fiable, que se incluyen en el error total de la predicción del modelo estándar enumerada anteriormente.

"Ahora hemos cuantificado la contribución de la dispersión luz por luz en la medida en que ya no se puede utilizar como explicación para guardar el modelo estándar si el valor experimental resulta ser significativamente diferente de la predicción teórica, "dijo el físico del Laboratorio Nacional de Brookhaven, Christoph Lehner, Copresidente de Theory Initiative.

Y con tanto en juego El-Khadra y otros miembros de Theory Initiative no han dejado nada al azar.

"Hemos enfatizado fuertemente la importancia de incluir evaluaciones basadas en varios métodos diferentes en nuestra construcción de la predicción del Modelo Estándar del momento magnético anómalo del muón, "El-Khadra dijo." Porque si encontramos que la medición del experimento Fermilab es inconsistente con el Modelo Estándar, queremos estar seguros ".