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    Experimento de Fermilab superpreciso que analiza cuidadosamente el momento magnético de los muones

    Crédito:Sandbox Studio, Steve Shanabruch

    La física moderna está llena de retorcidos, Tramas de rompecabezas dentro de un rompecabezas que encontrarías en una historia de detectives clásica:tanto los físicos como los detectives deben separar cuidadosamente las pistas importantes de la información no relacionada. Tanto los físicos como los detectives a veces deben ir más allá de la explicación obvia para revelar completamente lo que está sucediendo.

    Y tanto para físicos como para detectives, Los descubrimientos trascendentales pueden depender de deducciones al nivel de Sherlock Holmes basadas en evidencia que es fácil pasar por alto. Caso en cuestión:el experimento Muon g-2 actualmente en curso en el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía de EE. UU.

    El experimento actual de Muon g-2 (pronunciado "g menos dos") es en realidad una secuela, un experimento diseñado para reexaminar una ligera discrepancia entre la teoría y los resultados de un experimento anterior en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, que también se llamó Muon g-2.

    La discrepancia podría ser una señal de que se está gestando una nueva física. Los científicos quieren saber si la medición se mantiene ... o si no es más que una pista falsa.

    La colaboración Fermilab Muon g-2 ha anunciado que presentará su primer resultado el 7 de abril. Hasta entonces, Desglosemos los hechos del caso.

    El misterioso momento magnético

    Todo girando objetos cargados, incluidos los muones y sus hermanos de partículas más conocidos, electrones:generan sus propios campos magnéticos. La fuerza del campo magnético de una partícula se conoce como su "momento magnético" o su "factor g". (A eso se refiere la parte "g" de "g-2").

    Para comprender la parte "-2" de "g-2, "Tenemos que viajar un poco atrás en el tiempo.

    Los experimentos de espectroscopía en la década de 1920 (antes del descubrimiento de los muones en 1936) revelaron que el electrón tiene un giro intrínseco y un momento magnético. El valor de ese momento magnético, gramo, experimentalmente se encontró que era 2. En cuanto a por qué ese era el valor, ese misterio se resolvió pronto utilizando el nuevo pero creciente campo de la mecánica cuántica.

    Crédito:Sandbox Studio, Steve Shanabruch

    En 1928, El físico Paul Dirac, basándose en el trabajo de Llewelyn Thomas y otros, produjo una ecuación ahora famosa que combinaba la mecánica cuántica y la relatividad especial para describir con precisión el movimiento y las interacciones electromagnéticas de los electrones y todas las demás partículas con el mismo número cuántico de espín. La ecuación de Dirac, que incorporó el espín como parte fundamental de la teoría, predijo que g debería ser igual a 2, exactamente lo que los científicos habían medido en ese momento.

    Pero a medida que los experimentos se volvieron más precisos en la década de 1940, Salieron a la luz nuevas pruebas que reabrieron el caso y llevaron a nuevas y sorprendentes ideas sobre el reino cuántico.

    Una conspiración de partículas

    El electrón resultó, tenía un poco de magnetismo adicional que la ecuación de Dirac no tenía en cuenta. Ese magnetismo extra expresado matemáticamente como "g-2" (o la cantidad en que g difiere de la predicción de Dirac), se conoce como el "momento magnético anómalo". Por un momento, los científicos no sabían qué lo causaba.

    Si esto fuera un misterio de asesinato, el momento magnético anómalo sería una especie de huella digital extra de procedencia desconocida en un cuchillo utilizado para apuñalar a una víctima, un detalle pequeño pero sospechoso que justifica una mayor investigación y podría revelar una dimensión completamente nueva de la historia.

    El físico Julian Schwinger explicó la anomalía en 1947 al teorizar que el electrón podría emitir y luego reabsorber un "fotón virtual". La interacción fugaz aumentaría ligeramente el magnetismo interno del electrón en una décima de porcentaje, la cantidad necesaria para alinear el valor predicho con la evidencia experimental. Pero el fotón no es el único cómplice.

    Tiempo extraordinario, Los investigadores descubrieron que había una extensa red de "partículas virtuales" que aparecían y desaparecían constantemente del vacío cuántico. Eso es lo que había estado jugando con el pequeño imán giratorio del electrón.

    El momento magnético anómalo representa la influencia combinada simultánea de todos los posibles efectos de esos efímeros conspiradores cuánticos sobre el electrón. Es más probable que ocurran algunas interacciones, o se sienten con más fuerza que otros, y por lo tanto hacen una contribución mayor. Pero todas las partículas y fuerzas del modelo estándar participan.

    Los modelos teóricos que describen estas interacciones virtuales han tenido bastante éxito en describir el magnetismo de los electrones. Para el g-2 del electrón, Los cálculos teóricos están ahora tan de acuerdo con el valor experimental que es como medir la circunferencia de la Tierra con una precisión menor que el ancho de un solo cabello humano.

    Crédito:Sandbox Studio, Steve Shanabruch

    Toda la evidencia apunta a daños cuánticos perpetrados por partículas conocidas que causan anomalías magnéticas. Caso cerrado, ¿Derecha?

    No exactamente. Ahora es el momento de escuchar el lado de la historia del muón.

    Ni un pelo fuera de lugar, ¿o no?

    Las primeras mediciones del momento magnético anómalo del muón en la Universidad de Columbia en la década de 1950 y en el laboratorio europeo de física CERN en las décadas de 1960 y 1970 coincidían bien con las predicciones teóricas. La incertidumbre de la medición se redujo del 2% en 1961 al 0,0007% en 1979. Parecía que la misma conspiración de partículas que afectó al g-2 del electrón fuera también responsable del momento magnético del muón.

    Pero entonces, en 2001, el experimento Brookhaven Muon g-2 arrojó algo extraño. El experimento fue diseñado para aumentar la precisión de las mediciones del CERN y observar la contribución de la fuerza débil a la anomalía. Logró reducir las barras de error a la mitad de una parte por millón. Pero también mostró una pequeña discrepancia (menos de 3 partes por millón) entre la nueva medición y el valor teórico. Esta vez, los teóricos no pudieron encontrar una manera de recalcular sus modelos para explicarlo. Nada en el modelo estándar podría explicar la diferencia.

    Era el equivalente misterioso de la física de un solo cabello encontrado en la escena de un crimen con ADN que no parecía coincidir con nadie relacionado con el caso. La pregunta era, y sigue siendo, si la presencia del cabello es solo una coincidencia, o si en realidad es una pista importante.

    Los físicos ahora están reexaminando este "cabello" en Fermilab, con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE, la National Science Foundation y varias agencias internacionales en Italia, el Reino Unido, Los Estados unidos, Porcelana, Corea y Alemania.

    En el nuevo experimento de Muon g-2, un rayo de muones (todos sus giros apuntando en la misma dirección) se dispara hacia un tipo de acelerador llamado anillo de almacenamiento. El fuerte campo magnético del anillo mantiene a los muones en una trayectoria circular bien definida. Si g fuera exactamente 2, entonces los giros de los muones seguirían exactamente su impulso. Pero, debido al momento magnético anómalo, los muones tienen un ligero bamboleo adicional en la rotación de sus espines.

    Cuando un muón se desintegra en un electrón y dos neutrinos, el electrón tiende a dispararse en la dirección en la que apuntaba el giro del muón. Los detectores en el interior del anillo captan una parte de los electrones lanzados por los muones que experimentan la oscilación. El registro de la cantidad y la energía de los electrones que detectan a lo largo del tiempo les dirá a los investigadores cuánto ha girado el espín del muón.

    Crédito:Sandbox Studio, Steve Shanabruch

    Usando el mismo imán del experimento de Brookhaven con una instrumentación significativamente mejor, más un haz de muones más intenso producido por el complejo acelerador de Fermilab, los investigadores están recopilando 21 veces más datos para lograr una precisión cuatro veces mayor.

    El experimento puede confirmar la existencia de la discrepancia; puede que no encuentre ninguna discrepancia, apuntando a un problema con el resultado de Brookhaven; o puede encontrar algo en el medio, dejando el caso sin resolver.

    Buscando el inframundo cuántico

    Hay razones para creer que está sucediendo algo que el Modelo Estándar no nos ha dicho.

    El modelo estándar es una explicación notablemente consistente para casi todo lo que sucede en el mundo subatómico. Pero todavía hay una serie de misterios sin resolver en la física que no aborda.

    Materia oscura, por ejemplo, constituye aproximadamente el 27% del universo. Y todavía, los científicos aún no tienen idea de qué está hecho. Ninguna de las partículas conocidas parece encajar a la perfección. El modelo estándar tampoco puede explicar la masa del bosón de Higgs, que es sorprendentemente pequeño. Si el experimento de Fermilab Muon g-2 determina que algo más allá del Modelo Estándar, por ejemplo, una partícula desconocida, está alterando de manera medible el momento magnético del muón, puede orientar a los investigadores en la dirección correcta para cerrar otro de estos archivos abiertos.

    Una discrepancia confirmada en realidad no proporcionará detalles a nivel de ADN sobre qué partícula o fuerza está dando a conocer su presencia, pero ayudará a reducir los rangos de masa y fuerza de interacción en los que es más probable que los experimentos futuros encuentren algo nuevo. Incluso si la discrepancia se desvanece, los datos seguirán siendo útiles para decidir dónde buscar.

    Podría ser que una figura cuántica oscura que acecha más allá del Modelo Estándar esté demasiado bien escondida para que la tecnología actual la detecte. Pero si no lo es Los físicos no dejarán piedra sin remover ni pizca de evidencia sin analizar hasta que resuelvan el caso.

    Esta historia sobre el experimento Muon g-2 se publicó originalmente en Symmetry.


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