Existe una diferencia entre el valor teórico del momento magnético de un muón, partícula que pertenece a la misma clase que el electrón, y los valores obtenidos en experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas. La diferencia sólo aparece en el octavo decimal, pero los científicos han estado intrigados por ella desde que fue descubierta en 1948.

No es un detalle:puede indicar si el muón interactúa con partículas de materia oscura u otros bosones de Higgs o incluso si en el proceso intervienen fuerzas desconocidas.

El valor teórico del momento magnético del muón, representado por la letra g, viene dado por la ecuación de Dirac —formulada por el físico inglés y premio Nobel de 1933 Paulo Dirac (1902-1984), uno de los fundadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica— como 2. Sin embargo, los experimentos han demostrado que g no es exactamente 2, y hay mucho interés en comprender "g-2", es decir, la diferencia entre el valor experimental y el valor predicho por la ecuación de Dirac. P>

El mejor valor experimental disponible actualmente, obtenido con un impresionante grado de precisión en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi de Estados Unidos y anunciado en agosto de 2023, es 2,00116592059, con un rango de incertidumbre de más o menos 0,00000000022. Puede encontrar información sobre el experimento Muon G-2 realizado en Fermilab en:muon-g-2.fnal.gov/ .

"La determinación precisa del momento magnético del muón se ha convertido en una cuestión clave en la física de partículas porque la investigación de esta brecha entre los datos experimentales y la predicción teórica puede proporcionar información que podría conducir al descubrimiento de algún nuevo efecto espectacular", dijo el físico Diogo Boito, profesor del Instituto de Física São Carlos (IFSC-USP) de la Universidad de São Paulo, dijo a Agência FAPESP.

Un artículo sobre el tema de Boito y colaboradores se publica en la revista Physical Review Letters .

"Nuestros resultados fueron presentados en dos importantes eventos internacionales. Primero, yo durante un taller en Madrid, España, y luego mi colega Maarten Golterman de la Universidad Estatal de San Francisco en una reunión en Berna, Suiza", dijo Boito.

Estos resultados cuantifican y señalan el origen de una discrepancia entre los dos métodos utilizados para hacer predicciones actuales del muón g-2.

"Actualmente existen dos métodos para determinar un componente fundamental de g-2. El primero se basa en datos experimentales y el segundo en simulaciones por computadora de la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que estudia las interacciones fuertes entre quarks. Estos dos métodos producen Los resultados son bastante diferentes, lo que supone un gran problema hasta que no se resuelva, no podremos investigar las contribuciones de posibles partículas exóticas, como por ejemplo los nuevos bosones de Higgs o la materia oscura, al g-2", explicó.

El estudio logró explicar la discrepancia, pero para entenderla debemos retroceder unos pasos y comenzar de nuevo con una descripción algo más detallada del muón.

El muón es una partícula que pertenece a la clase de los leptones, al igual que el electrón, pero tiene una masa mucho mayor. Por este motivo, es inestable y sobrevive sólo durante muy poco tiempo en un contexto de alta energía. Cuando los muones interactúan entre sí en presencia de un campo magnético, se desintegran y se reagrupan formando una nube de otras partículas, como electrones, positrones, bosones W y Z, bosones de Higgs y fotones.

Por lo tanto, en los experimentos, los muones siempre van acompañados de muchas otras partículas virtuales. Sus contribuciones hacen que el momento magnético real medido en experimentos sea mayor que el momento magnético teórico calculado mediante la ecuación de Dirac, que es igual a 2.

"Para obtener la diferencia [g-2], es necesario considerar todas estas contribuciones, tanto las predichas por QCD [en el Modelo Estándar de física de partículas] como otras que son más pequeñas pero que aparecen en mediciones experimentales de alta precisión. Conocemos varias "Estas contribuciones están muy bien, pero no todas", afirmó Boito.

Los efectos de la interacción fuerte QCD no se pueden calcular teóricamente solos, ya que en algunos regímenes energéticos son impracticables, por lo que hay dos posibilidades. Uno de ellos se utiliza desde hace algún tiempo y consiste en recurrir a los datos experimentales obtenidos de las colisiones electrón-positrón, que crean otras partículas formadas por quarks. El otro es el QCD reticular, que se volvió competitivo recién en la década actual y consiste en simular el proceso teórico en una supercomputadora.

"El principal problema con la predicción del muón g-2 en este momento es que el resultado obtenido usando datos de colisiones electrón-positrón no concuerda con el resultado experimental total, mientras que los resultados basados ​​en QCD reticular sí lo hacen. Nadie estaba seguro de por qué, y Nuestro estudio aclara parte de este enigma", afirmó Boito.

Él y sus colegas llevaron a cabo su investigación exactamente para resolver este problema. "El artículo informa los hallazgos de una serie de estudios en los que desarrollamos un método novedoso para comparar los resultados de las simulaciones QCD de red con los resultados basados ​​en datos experimentales. Mostramos que es posible extraer de los datos las contribuciones que se calculan en el retículo con gran precisión:las contribuciones de los llamados diagramas de Feynman conectados", dijo.

El físico teórico estadounidense Richard Feynman (1918-1988) ganó el Premio Nobel de Física en 1965 (junto con Julian Schwinger y Shin'ichiro Tomonaga) por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica y física de partículas elementales. Los diagramas de Feynman, creados en 1948, son representaciones gráficas de las expresiones matemáticas que describen la interacción de dichas partículas y se utilizan para simplificar los respectivos cálculos.

"En el estudio, obtuvimos por primera vez las contribuciones de los diagramas de Feynman conectados en la llamada 'ventana de energía intermedia' con gran precisión. Hoy, tenemos ocho resultados para estas contribuciones, obtenidos mediante simulaciones de red QCD, y todos ellos concuerdan en gran medida. Además, demostramos que los resultados basados ​​en los datos de interacción electrón-positrón no concuerdan con estos ocho resultados de las simulaciones", afirmó Boito.

Esto permitió a los investigadores localizar el origen del problema y pensar en posibles soluciones. "Quedó claro que si por alguna razón se subestiman los datos experimentales para el canal de dos piones, esta podría ser la causa de la discrepancia", dijo. Los piones son mesones:partículas formadas por un quark y un antiquark producidas en colisiones de alta energía.

De hecho, nuevos datos (aún en revisión por pares) del experimento CMD-3 realizado en la Universidad Estatal de Novosibirsk en Rusia parecen mostrar que los datos más antiguos del canal de dos piones pueden haber sido subestimados por alguna razón.