{"id":404897,"date":"2021-08-05T19:26:21","date_gmt":"2021-08-05T22:26:21","guid":{"rendered":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=404897"},"modified":"2021-08-06T17:42:59","modified_gmt":"2021-08-06T20:42:59","slug":"el-enigma-de-los-muones","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/el-enigma-de-los-muones\/","title":{"rendered":"El enigma de los muones"},"content":{"rendered":"

Los muones, descubiertos en 1936 en observaciones de radiaci\u00f3n c\u00f3smica, son part\u00edculas 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 millon\u00e9simas de segundo. Pese a que se los conoce desde hace 85 a\u00f1os, en los \u00faltimos meses se han vuelto el centro de las atenciones para los f\u00edsicos de part\u00edculas debido a que aparentemente se han detectado anomal\u00edas en dos grandes experimentos internacionales de distinta naturaleza. En uno de los estudios, que se llev\u00f3 a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de part\u00edculas del planeta, situado en la Organizaci\u00f3n Europea para la Investigaci\u00f3n Nuclear (Cern), los muones se formaron a una tasa diferente a la de los electrones como resultado de la desintegraci\u00f3n de part\u00edculas m\u00e1s pesadas. Seg\u00fan una teor\u00eda que tiene amplia aceptaci\u00f3n entre los f\u00edsicos, ambas part\u00edculas deber\u00edan 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.<\/p>\n

Ambos registros parecen contrariar los supuestos de lo que se denomina modelo est\u00e1ndar, la teor\u00eda dominante en la f\u00edsica de part\u00edculas que, desde hace medio siglo, explica las interacciones entre las fuerzas conocidas, con excepci\u00f3n de la gravedad, y las part\u00edculas que constituyen la materia. Cuando existe una posibilidad s\u00f3lida de que este tipo de discrepancia sea un fen\u00f3meno real y no un error de medici\u00f3n o una fluctuaci\u00f3n estad\u00edstica, los f\u00edsicos se plantean si est\u00e1n ante un hallazgo que hace necesaria una revisi\u00f3n del modelo para incluir algo que no estaba previsto, como una nueva fuerza o una part\u00edcula que hasta ahora era desconocida, quiz\u00e1 surgida de alg\u00fan fen\u00f3meno cu\u00e1ntico ignorado. No es la primera vez que el modelo es puesto a prueba. Los neutrinos, unas part\u00edculas sin carga el\u00e9ctrica y extremadamente abundantes en el Universo, no deber\u00edan tener masa, seg\u00fan lo que postula el modelo. Pero ahora se sabe que tienen cierta masa, aunque la misma sea \u00ednfima. Otras cuestiones que la teor\u00eda no explica son la existencia de la materia oscura y de la energ\u00eda oscura, los dos componentes m\u00e1s abundantes del Cosmos, y la aparente predominancia de la materia sobre la antimateria.<\/p>\n

Los muones pasaron a ser objeto de debates recientes entre los f\u00edsicos cuando en el mes de marzo, el experimento LHCb \u2013uno de los cuatro grandes proyectos en marcha en el Cern, que est\u00e1 ubicado en los alrededores de Ginebra, en la frontera entre Suiza y Francia\u2013 dio a conocer nuevos resultados. En un art\u00edculo disponible como preprint<\/em>, a\u00fan no revisados por pares ni aceptado para su publicaci\u00f3n en una revista cient\u00edfica, los miembros de la colaboraci\u00f3n cient\u00edfica informan que el decaimiento de las part\u00edculas emergentes de las colisiones de protones en el interior del acelerador condujo a la formaci\u00f3n de un 15 % menos de muones que de electrones. T\u00e9cnicamente, esta discrepancia se describe como una violaci\u00f3n de la \u201cuniversalidad del sabor de los leptones\u201d, uno de los postulados del modelo est\u00e1ndar.<\/p>\n\n \n \n \n <\/picture>\n

Los leptones son part\u00edculas sin interacci\u00f3n fuerte con esp\u00edn \u00bd. El esp\u00edn es una propiedad intr\u00ednseca de las part\u00edculas subat\u00f3micas que est\u00e1 asociada a la interacci\u00f3n con los campos magn\u00e9ticos. Los tipos (o sabores, en la jerga del \u00e1rea) de leptones conocidos son los electrones, los muones, los taus y las tres variantes distintas de neutrinos. \u201cEl concepto de universalidad de sabor de los leptones significa que todos los procesos que conducen a la formaci\u00f3n de part\u00edculas de este tipo, como son los electrones y los muones, deben ocurrir en una misma proporci\u00f3n\u201d, explica el f\u00edsico experimental brasile\u00f1o Rafael Silva Coutinho, de la Universidad de Z\u00farich y miembro del consorcio internacional del LHCb. \u201cSi nuestro experimento est\u00e1 en lo cierto, necesitaremos algo nuevo en la f\u00edsica que pueda dar cuenta de este resultado\u201d. El LHCb es una colaboraci\u00f3n internacional que cuenta con alrededor de 1.500 miembros pertenecientes a 89 instituciones de 19 pa\u00edses. Doce cient\u00edficos brasile\u00f1os de tres instituciones nacionales \u2013la Universidad Federal de R\u00edo de janeiro (UFRJ), el Centro Brasile\u00f1o de Investigaciones F\u00edsicas (CBPF) y la Pontificia Universidad Cat\u00f3lica de R\u00edo de Janeiro (PUC-R\u00edo)\u2013 participan en el experimento.<\/p>\n

Para explicarlo de manera sencilla, el experimento consiste en promover la colisi\u00f3n de haces de protones que son acelerados casi hasta alcanzar la velocidad de la luz para registrar cu\u00e1les part\u00edculas surgen luego de esos choques. Una de esas part\u00edculas son los mesones B. De naturaleza inestable, estos decaen en otras part\u00edculas en fracciones de segundos. Al desintegrarse, los mesones B originan muones y electrones, entre otras part\u00edculas. Los detectores instalados en el acelerador de part\u00edculas registran la intensidad en la formaci\u00f3n de part\u00edculas. Seg\u00fan el modelo est\u00e1ndar, este proceso deber\u00eda dar como resultado un mismo n\u00famero de electrones y muones. Empero, en la pr\u00e1ctica el experimento detect\u00f3 un 15 % menos de muones que de electrones. \u201cLos muones son relativamente f\u00e1ciles de detectar\u201d, explica el f\u00edsico Murilo Rangel, de UFRJ, quien participa en el LHCb. \u201cDif\u00edcilmente nuestras mediciones sean incorrectas\u201d.<\/p>\n

El estudio con muones realizado en el Fermilab fue publicado en abril en la revista Physical Review Letters<\/em> y forma parte del experimento Muon g-2, una colaboraci\u00f3n internacional que agrupa a 200 cient\u00edficos de 35 instituciones de 7 pa\u00edses, en la que no participan instituciones brasile\u00f1as. Su objetivo consiste en reproducir y perfeccionar un estudio que, en 2001, midi\u00f3 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 hab\u00eda utilizado en Brookhaven, un anillo magn\u00e9tico superconductor de 15 metros de di\u00e1metro, fue reinstalado en el Fermilab para poder rehacer el experimento. A partir de la colisi\u00f3n de protones, el Muon g-2 produce un haz de muones que circula por el anillo casi a la velocidad de la luz e interact\u00faa en el vac\u00edo con grandes campos magn\u00e9ticos. Los f\u00edsicos miden entonces lo que se denomina momento magn\u00e9tico de los muones, una propiedad que hace que estas part\u00edculas giren y se comporten como una peque\u00f1a barra de im\u00e1n. Este par\u00e1metro se calcula mediante el factor g, un valor muy cercano, pero siempre superior a 2 (de ah\u00ed surge el nombre del experimento: Muon g-2).<\/p>\n

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Maximilien Brice\/Cern<\/span><\/a> Las instalaciones del experimento LHCb, en el Cern, donde se midi\u00f3 una posible anomal\u00eda en la tasa de formaci\u00f3n de los muonesMaximilien Brice\/Cern<\/span><\/p><\/div>\n

El ensayo efectuado en el Fermilab midi\u00f3 ese par\u00e1metro y registr\u00f3, igual a como hab\u00eda ocurrido en Brookhaven, valores m\u00e1s elevados para el momento magn\u00e9tico de los muones. \u201cLo que medimos refleja las interacciones de los muones con todo lo que existe en el Universo; empero, cuando los te\u00f3ricos realizan este c\u00e1lculo, incluyendo todas las fuerzas y part\u00edculas del modelo est\u00e1ndar, no se obtiene la misma respuesta\u201d, dijo, en un comunicado de prensa, la f\u00edsica 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 f\u00edsica cu\u00e1ntica el vac\u00edo no es sin\u00f3nimo de un espacio vac\u00edo. Ese espacio est\u00e1 poblado de part\u00edculas virtuales, que, debido a las fluctuaciones del mundo cu\u00e1ntico, aparecen y desaparecen de a pares, casi instant\u00e1neamente, y son dif\u00edciles de detectar. Las interacciones hipot\u00e9ticas de estas part\u00edculas virtuales con los muones podr\u00edan ser la clave para entender ambas anomal\u00edas.<\/p>\n

Por el momento, no es posible saber qu\u00e9 fuerzas o part\u00edculas desconocidas podr\u00edan explicar las dos mediciones que no coinciden con las predicciones del modelo est\u00e1ndar. Estas posibles anomal\u00edas pueden estar correlacionadas o no y ser resultado de un mismo o de varios fen\u00f3menos cu\u00e1nticos\u201d, comenta la f\u00edsica Renata Zukanovcich Funchal, de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP), quien estudia teor\u00edas que puedan ir m\u00e1s all\u00e1 del modelo est\u00e1ndar merced a un proyecto financiado por la FAPESP. Part\u00edculas no virtuales, aunque a\u00fan no descubiertas, podr\u00edan hallarse detr\u00e1s de las violaciones al modelo est\u00e1ndar protagonizadas por los muones. \u201cPart\u00edculas hipot\u00e9ticas, tales como los leptoquarks y los bosones Z\u2019, pueden ser candidatas a explicar estas anomal\u00edas si en el futuro llega a confirmarse efectivamente su existencia\u201d, comenta el f\u00edsico te\u00f3rico brasile\u00f1o Olcyr Sumensari, de la Universidad Par\u00eds-Saclay.<\/p>\n

Las dos aparentes transgresiones al modelo est\u00e1ndar, tanto la del LHCb como la del Fermilab, ya hab\u00edan sido detectadas en otros experimentos realizados en el pasado, pero con un grado de certeza estad\u00edstica relativamente bajo. Ahora las nuevas mediciones son m\u00e1s fiables, aunque a\u00fan no han alcanzado el grado de precisi\u00f3n considerado como el patr\u00f3n oro de la f\u00edsica. Normalmente, cuando un dato presenta una precisi\u00f3n de 5 sigma (5\u03c3), tambi\u00e9n denominada 5 desv\u00edos est\u00e1ndar o t\u00edpicos (SD), los f\u00edsicos dicen que se est\u00e1 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 desv\u00edo est\u00e1ndar de 3,1 sigma (3,1\u03c3), poco m\u00e1s de un 0,2 % de probabilidad de error. Los registros con este nivel de confiabilidad se consideran como una evidencia, pero a\u00fan no como un descubrimiento. La medici\u00f3n de la anomal\u00eda magn\u00e9tica detectada en los muones, cuando se tienen en cuenta los datos producidos en el Fermilab y en Brookhaven, presenta un grado de precisi\u00f3n a\u00fan mayor, de 4,2 sigma, es decir, una posibilidad en 40.000 de estar equivocada.<\/p>\n

A medida que el LHCb y el Muon 2-g avancen con los estudios en los pr\u00f3ximos a\u00f1os, las dudas acerca de si las dos anomal\u00edas son reales o fruto de errores de medici\u00f3n ir\u00e1n disip\u00e1ndose. 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 a\u00fan no se ha analizado m\u00e1s del 90 % de los datos producidos en el experimento de Chicago con los muones. \u201cTambi\u00e9n es posible que en los pr\u00f3ximos meses, el Belle II, un experimento japon\u00e9s que compite con el LHCb, d\u00e9 a conocer alguna medici\u00f3n\u201d, comenta Zukanovich.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/strong>
\nAAJI, R. et al.<\/em> Test of lepton universality in beauty-quark decays<\/a>. arXiv preprint<\/strong>. 22 mar. 2021.
\nABI, B. et al<\/em>. Measurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.46 ppm<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>. 7 abr. 2021.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Anomal\u00edas en part\u00edculas desaf\u00edan a la teor\u00eda dominante de la f\u00edsica","protected":false},"author":13,"featured_media":404511,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[304],"coauthors":[101],"class_list":["post-404897","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/404897","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/13"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=404897"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/404897\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":405241,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/404897\/revisions\/405241"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/404511"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=404897"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=404897"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=404897"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=404897"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}