Desde hace más de dos décadas, los físicos de altas energías han estado lidiando con una duda fundamental al respecto de una importante propiedad cuántica de los muones, un tipo de partículas inestables, 207 veces más pesadas que los electrones, presentes en gran parte de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra. En los estudios teóricos y en experimentos realizados en aceleradores de partículas como el Fermilab, de Estados Unidos, y el LHC de Europa, no se ha arribado a un acuerdo sobre cuál sería el valor exacto de su momento magnético.
Este parámetro describe cómo oscilan los muones (giran sobre su propio eje) y se comportan como si fueran un pequeño imán bajo el influjo de un campo magnético. Grosso modo, los experimentos miden un exceso de magnetismo (una anomalía) en los muones que no está previsto ni tiene una explicación teórica.
La dificultad para dar cuenta de esta disparidad, si es que, en efecto, fuera real y no el resultado de errores metodológicos, podría llevar a tener que introducir revisiones en el llamado Modelo Estándar, la teoría fundamental de la física que desde hace más de medio siglo explica las interacciones entre las partículas y las fuerzas conocidas, excepto la gravedad.
Un artículo publicado en diciembre de 2023 en la revista Physical Review Letters (PRL), cuya autoría es de un grupo internacional que tiene como miembro a un físico brasileño, atribuye el origen de la discrepancia existente a dos enfoques teóricos que calculan, de manera distinta, la intensidad del magnetismo del muon.
“Nuestro trabajo no resuelve el problema de la anomalía magnética del muon, pero identifica el componente que genera las mayores divergencias entre los estudios basados en simulaciones por computadora y aquellos que se basan en datos experimentales”, comenta Diogo Boito, del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), uno de los autores del artículo. Este elemento se denomina polarización hadrónica del vacío, un tipo de interacción entre los muones y las partículas clasificadas como virtuales.
En el artículo, Boito, junto a colegas de Europa y Norteamérica, partieron de un enfoque que les permitió aislar el papel de este tipo de interacción en la aparición del exceso de magnetismo del muon y observaron que este ingrediente tiene un gran peso en el origen de la discrepancia.
“En el pasado, los estudios teóricos establecieron valores diferentes para la contribución de la polarización hadrónica del vacío en la aparición de la anomalía magnética del muon”, comenta el físico Farinaldo Queiroz, de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), quien no tuvo participación en el artículo en PRL. “Conforme con los resultados del artículo reciente, la divergencia entre los datos experimentales y las presunciones teóricas adquiere una mayor significación a nivel estadístico o puede considerarse irrelevante”.
Dicho de otro modo, el valor de esta contribución, según el nuevo estudio, es lo que determinaría si los cálculos de los teóricos realmente discrepan de las mediciones efectuadas en los aceleradores de partículas.
La anomalía magnética del muon se calcula según la fórmula g-2. El valor del factor g, que representa el momento magnético del muon, es un número extremadamente cercano, aunque ligeramente superior a 2. Cuán cercano está es el motivo de la divergencia entre la teoría y la observación.
Mark Garlick / Science Photo Library / Getty ImagesIlustración de una “lluvia” de rayos cósmicos, compuestos en gran medida por muonesMark Garlick / Science Photo Library / Getty Images
Muon g-2
En agosto de 2023, el principal experimento que estudia esta cuestión, denominado Muon g-2, que se llevó a cabo en el Fermilab, divulgó las mediciones más precisas de este parámetro. El nuevo valor, también publicado en PRL, duplicó la exactitud de la medición anterior con un margen de error de 0,2 partes por millón (ppm).
Quedaría para los teóricos la tarea de demostrar que sus cálculos no están errados. Aquí es donde empieza a tallar el rol de la mentada polarización hadrónica del vacío. Se trata de un intrincado tipo de interacción entre los muones y las partículas hadrónicas virtuales. Aún más fugaces que las 2,2 millonésimas de segundo de vida promedio de los muones, las partículas virtuales son un fenómeno puramente cuántico. Pueden ser emitidas por otras partículas, o bien surgir y desaparecer casi instantáneamente en pleno vacío.
“Las partículas virtuales directamente no se detectan”, dice Boito. Pero se infiere que existen porque inducen alteraciones en las propiedades físicas de otras partículas, en su masa, en su fuerza eléctrica o bien, como en el caso de los muones, en su magnetismo. Los hadrones son un tipo de partículas subatómicas compuestas por partículas aún más pequeñas que se mantienen en cohesión debido a la acción de la fuerza nuclear fuerte. Los protones y los neutrones son los hadrones más conocidos, pero existen más de cien partículas de este tipo. Se desconoce qué partículas virtuales pueden aparecer y desaparecer en el mundo cuántico y hacer que el muon oscile en demasía.
Según Queiroz, el nuevo estudio deja una puerta abierta para que el Modelo Estándar sea reformulado en el futuro, pudiendo incluir nuevas partículas que ayuden a explicar fenómenos de los que la teoría no da buena cuenta, como el momento anómalo de los muones o la naturaleza de la materia oscura. “Cuando los físicos no son capaces de resolver un problema de la naturaleza, proponen la existencia de una nueva partícula”, dice el investigador de la UFRN, medio en serio y, otro tanto, en broma. “Así ocurrió con el bosón de Higgs, por ejemplo, y funcionó. Posteriormente esta partícula [que es la que proporciona masa a las demás] fue realmente descubierta”. El exceso de magnetismo de los muones, sin embargo, es un interrogante que desafía a la física desde hace décadas.
Proyecto
Pruebas del modelo estándar: QCD de precisión y g-2 de muones (nº 21/06756-6) Modalidad Joven Investigador; Investigador responsable Diogo Boito (USP); Inversión R$ 622.024,29.
Artículos científicos
BENTON, G. et al. Data-Driven determination of the light-quark connected component of the intermediate-window contribution to the muon g-2. Physical Review Letters. v. 131, n. 25. 22 dic. 2023.
AGUILLARD, D. P. et al. Measurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.20 ppm. Physical Review Letters. v. 131, n. 16. 20 oct. 2023.
