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Física

El enigma de los muones

Dos experimentos captan comportamientos anómalos de estas partículas y, de confirmárselos, pueden llevar a una revisión de la teoría dominante sobre la materia

El detector de muones del experimento Muon g-2, en el Fermilab, que registró indicios de exceso de magnetismo en esas partículas

Cindy Arnold / Fermilab

Los muones, descubiertos en 1936 en observaciones de radiación cósmica, son partículas elementales muy similares a los electrones, pero con una masa 207 veces mayor y un tiempo de vida que apenas alcanza un mero lapso de 2,2 millonésimas de segundo. Pese a que se los conoce desde hace 85 años, en los últimos meses se han vuelto el centro de las atenciones para los físicos de partículas debido a que aparentemente se han detectado anomalías en dos grandes experimentos internacionales de distinta naturaleza. En uno de los estudios, que se llevó a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del planeta, situado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), los muones se formaron a una tasa diferente a la de los electrones como resultado de la desintegración de partículas más pesadas. Según una teoría que tiene amplia aceptación entre los físicos, ambas partículas deberían producirse en proporciones iguales. En el otro estudio, realizado en el acelerador del Fermilab, en Chicago, Estados Unidos, los muones presentaban un alto nivel de magnetismo, mayor que el previsto.

Ambos registros parecen contrariar los supuestos de lo que se denomina modelo estándar, la teoría dominante en la física de partículas que, desde hace medio siglo, explica las interacciones entre las fuerzas conocidas, con excepción de la gravedad, y las partículas que constituyen la materia. Cuando existe una posibilidad sólida de que este tipo de discrepancia sea un fenómeno real y no un error de medición o una fluctuación estadística, los físicos se plantean si están ante un hallazgo que hace necesaria una revisión del modelo para incluir algo que no estaba previsto, como una nueva fuerza o una partícula que hasta ahora era desconocida, quizá surgida de algún fenómeno cuántico ignorado. No es la primera vez que el modelo es puesto a prueba. Los neutrinos, unas partículas sin carga eléctrica y extremadamente abundantes en el Universo, no deberían tener masa, según lo que postula el modelo. Pero ahora se sabe que tienen cierta masa, aunque la misma sea ínfima. Otras cuestiones que la teoría no explica son la existencia de la materia oscura y de la energía oscura, los dos componentes más abundantes del Cosmos, y la aparente predominancia de la materia sobre la antimateria.

Los muones pasaron a ser objeto de debates recientes entre los físicos cuando en el mes de marzo, el experimento LHCb –uno de los cuatro grandes proyectos en marcha en el Cern, que está ubicado en los alrededores de Ginebra, en la frontera entre Suiza y Francia– dio a conocer nuevos resultados. En un artículo disponible como preprint, aún no revisados por pares ni aceptado para su publicación en una revista científica, los miembros de la colaboración científica informan que el decaimiento de las partículas emergentes de las colisiones de protones en el interior del acelerador condujo a la formación de un 15 % menos de muones que de electrones. Técnicamente, esta discrepancia se describe como una violación de la “universalidad del sabor de los leptones”, uno de los postulados del modelo estándar.

Los leptones son partículas sin interacción fuerte con espín ½. El espín es una propiedad intrínseca de las partículas subatómicas que está asociada a la interacción con los campos magnéticos. Los tipos (o sabores, en la jerga del área) de leptones conocidos son los electrones, los muones, los taus y las tres variantes distintas de neutrinos. “El concepto de universalidad de sabor de los leptones significa que todos los procesos que conducen a la formación de partículas de este tipo, como son los electrones y los muones, deben ocurrir en una misma proporción”, explica el físico experimental brasileño Rafael Silva Coutinho, de la Universidad de Zúrich y miembro del consorcio internacional del LHCb. “Si nuestro experimento está en lo cierto, necesitaremos algo nuevo en la física que pueda dar cuenta de este resultado”. El LHCb es una colaboración internacional que cuenta con alrededor de 1.500 miembros pertenecientes a 89 instituciones de 19 países. Doce científicos brasileños de tres instituciones nacionales –la Universidad Federal de Río de janeiro (UFRJ), el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) y la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (PUC-Río)– participan en el experimento.

Para explicarlo de manera sencilla, el experimento consiste en promover la colisión de haces de protones que son acelerados casi hasta alcanzar la velocidad de la luz para registrar cuáles partículas surgen luego de esos choques. Una de esas partículas son los mesones B. De naturaleza inestable, estos decaen en otras partículas en fracciones de segundos. Al desintegrarse, los mesones B originan muones y electrones, entre otras partículas. Los detectores instalados en el acelerador de partículas registran la intensidad en la formación de partículas. Según el modelo estándar, este proceso debería dar como resultado un mismo número de electrones y muones. Empero, en la práctica el experimento detectó un 15 % menos de muones que de electrones. “Los muones son relativamente fáciles de detectar”, explica el físico Murilo Rangel, de UFRJ, quien participa en el LHCb. “Difícilmente nuestras mediciones sean incorrectas”.

El estudio con muones realizado en el Fermilab fue publicado en abril en la revista Physical Review Letters y forma parte del experimento Muon g-2, una colaboración internacional que agrupa a 200 científicos de 35 instituciones de 7 países, en la que no participan instituciones brasileñas. Su objetivo consiste en reproducir y perfeccionar un estudio que, en 2001, midió por primera vez en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en el estado de Nueva York (EE. UU.), un exceso de magnetismo de los muones. El componente principal del equipo que se había utilizado en Brookhaven, un anillo magnético superconductor de 15 metros de diámetro, fue reinstalado en el Fermilab para poder rehacer el experimento. A partir de la colisión de protones, el Muon g-2 produce un haz de muones que circula por el anillo casi a la velocidad de la luz e interactúa en el vacío con grandes campos magnéticos. Los físicos miden entonces lo que se denomina momento magnético de los muones, una propiedad que hace que estas partículas giren y se comporten como una pequeña barra de imán. Este parámetro se calcula mediante el factor g, un valor muy cercano, pero siempre superior a 2 (de ahí surge el nombre del experimento: Muon g-2).

Maximilien Brice/Cern Las instalaciones del experimento LHCb, en el Cern, donde se midió una posible anomalía en la tasa de formación de los muonesMaximilien Brice/Cern

El ensayo efectuado en el Fermilab midió ese parámetro y registró, igual a como había ocurrido en Brookhaven, valores más elevados para el momento magnético de los muones. “Lo que medimos refleja las interacciones de los muones con todo lo que existe en el Universo; empero, cuando los teóricos realizan este cálculo, incluyendo todas las fuerzas y partículas del modelo estándar, no se obtiene la misma respuesta”, dijo, en un comunicado de prensa, la física Renee Fatemi, de la Universidad de Kentucky, en Estados Unidos, coordinadora de las simulaciones del Muon g-2. Aunque para los legos parezca un contrasentido, en el campo de la física cuántica el vacío no es sinónimo de un espacio vacío. Ese espacio está poblado de partículas virtuales, que, debido a las fluctuaciones del mundo cuántico, aparecen y desaparecen de a pares, casi instantáneamente, y son difíciles de detectar. Las interacciones hipotéticas de estas partículas virtuales con los muones podrían ser la clave para entender ambas anomalías.

Por el momento, no es posible saber qué fuerzas o partículas desconocidas podrían explicar las dos mediciones que no coinciden con las predicciones del modelo estándar. Estas posibles anomalías pueden estar correlacionadas o no y ser resultado de un mismo o de varios fenómenos cuánticos”, comenta la física Renata Zukanovcich Funchal, de la Universidad de São Paulo (USP), quien estudia teorías que puedan ir más allá del modelo estándar merced a un proyecto financiado por la FAPESP. Partículas no virtuales, aunque aún no descubiertas, podrían hallarse detrás de las violaciones al modelo estándar protagonizadas por los muones. “Partículas hipotéticas, tales como los leptoquarks y los bosones Z’, pueden ser candidatas a explicar estas anomalías si en el futuro llega a confirmarse efectivamente su existencia”, comenta el físico teórico brasileño Olcyr Sumensari, de la Universidad París-Saclay.

Las dos aparentes transgresiones al modelo estándar, tanto la del LHCb como la del Fermilab, ya habían sido detectadas en otros experimentos realizados en el pasado, pero con un grado de certeza estadística relativamente bajo. Ahora las nuevas mediciones son más fiables, aunque aún no han alcanzado el grado de precisión considerado como el patrón oro de la física. Normalmente, cuando un dato presenta una precisión de 5 sigma (5σ), también denominada 5 desvíos estándar o típicos (SD), los físicos dicen que se está ante un hallazgo. En este caso, la probabilidad de error es de un 0,00006 %, aproximadamente 1 en 3,5 millones. El trabajo en el LHCb presenta un desvío estándar de 3,1 sigma (3,1σ), poco más de un 0,2 % de probabilidad de error. Los registros con este nivel de confiabilidad se consideran como una evidencia, pero aún no como un descubrimiento. La medición de la anomalía magnética detectada en los muones, cuando se tienen en cuenta los datos producidos en el Fermilab y en Brookhaven, presenta un grado de precisión aún mayor, de 4,2 sigma, es decir, una posibilidad en 40.000 de estar equivocada.

A medida que el LHCb y el Muon 2-g avancen con los estudios en los próximos años, las dudas acerca de si las dos anomalías son reales o fruto de errores de medición irán disipándose. Por ahora, el acelerador del Cern se encuentra parado y solo se espera que vuelva a funcionar en abril de 2022. Antes de ello, el Fermilab tal vez aporte alguna novedad, ya que aún no se ha analizado más del 90 % de los datos producidos en el experimento de Chicago con los muones. “También es posible que en los próximos meses, el Belle II, un experimento japonés que compite con el LHCb, dé a conocer alguna medición”, comenta Zukanovich.

Artículos científicos
AAJI, R. et al. Test of lepton universality in beauty-quark decays. arXiv preprint. 22 mar. 2021.
ABI, B. et al. Measurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.46 ppm. Physical Review Letters. 7 abr. 2021.

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