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Descubriendo la física de partículas.

Recientemente se ha publicado en una de las revistas científicas de más prestigio, Physical Review Letter, los primeros datos obtenidos del experimento llamado Muón g-2 en el laboratorio de altas energías Fermilab (FLAB) (en honor al físico Enrico Fermi) ubicado en Batavia, una ciudad situada a unos 50 km de Chicago en EEUU. Esta publicación ha causado más revuelo de lo que se suele esperar debido a que ha golpeado de lleno a la teoría actual que gobierna la física de partículas, el modelo estándar (Standard Model, SM por sus siglas en inglés). Esta teoría, entre otras cosas, describe las interacciones entre las partículas fundamentales. Una de estas partículas fundamentales es el leptón \mu, que es la que precisamente nos trae hoy a este artículo. Pero antes de adentrarnos en las partes técnicas de los resultados obtenidos por Fermilab, vamos a explicar brevemente qué partícula tan misteriosa es esta.

El muón, un electrón con sobrepeso.

A efectos prácticos no debería de alarmarnos el título de este apartado, puesto que el muón comparte muchas propiedades con el electrón, una partícula que quizá a usted sí le sonará. Pero una de las propiedades que no comparte es que se trata de una partícula cuya masa es más grande. Dentro del modelo estándar existen un conjunto de partículas llamadas leptones, mencionadas anteriormente. Estas partículas se distribuyen actualmente en el SM en tres familias o generaciones, expuestas en la figura 1. Aquí vemos como el muón es una partícula con una masa de unos 105.7 MeV/c^2, unas 200 veces más grande que la del electrón.

Figura 1: Imagen donde se observan las partículas fundamentales del modelo estándar. Se observan las tres generaciones de partículas y cómo los leptones son las que se pintan en color verde. Esta imagen tiene una licencia de Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. El autor es Buckminsterfullereno C60 y la URL de la imagen viene especificada en la bibliografía.

La clave del enigma, el momento magnético del muón.

Habiendo expuesto brevemente las líneas generales que describen el SM y habiendo identificado al muón dentro de esta teoría, procedemos a centrarnos en una de las características que necesitaremos para entender el reciente experimento. El momento magnético del muón (como de muchas otras partículas) consiste en una cantidad física que describe la respuesta de esta partícula cuando aparece un campo magnético externo. Con esta cantidad es posible calcular la energía o la fuerza que ejerce el campo sobre la partícula entre otras cosas. El momento magnético está relacionado con el espín \vec{s} de la partícula y viene descrito por la ecuación:

\vec{\mu_l}=g_l\left(\frac{q}{2m_l}\right)\vec{s}Ecuación 1.

Donde la constante g_l viene descrita por la ecuación 2:

g_l=2(1+a_l)Ecuación 2.

Donde el subíndice l hace referencia a las constantes del electrón (e) o del muón (\mu). La clave del trabajo recién publicado es el valor de la cantidad a_{\mu}, que es donde se centra la medida que se ha hecho. Aquí es donde vamos a encontrar el principal problema que arrojan los datos: contradicen la teoría.

Nueva física en el experimento sobre el muón.

Ahora tenemos todos los ingredientes necesarios para poder entender brevemente a un nivel simple qué es lo que ha pasado con la publicación de los datos tomados por Fermilab. El modelo estándar predecía teóricamente [4] un valor para a_{\mu} de:

a_{\mu}(SM)=116 591 810(43)\times 10^{-11} (0.37 ppm) Ecuación 3.

No se preocupe el lector por el término ppm (por sus siglas en inglés part per million) ya que hace referencia a la precisión con la que se mide una cantidad. Lo único que sí tiene que tener en cuenta es que el experimento de Fermilab ha conseguido mejorar la precisión a la hora de calcular esta cantidad. El valor dado ha sido de:

a_{\mu}(FLAB)=116 592 040(54)\times 10^{-11} (0.46 ppm)Ecuación 4

Este resultado arroja una diferencia con el valor predicho por el modelo estándar de 3.3\sigma. Tampoco se asuste el lector, este jerga se usa para dar un nivel de significancia estadística a nuestros datos [7]. Lo único que se tiene que tener en cuenta es que se suele considerar un descubrimiento cuando la diferencia entre lo predicho y lo medido alcanza, como mínimo, 5\sigma. Bueno pues, si el resultado de la ecuación (4) se junta con el valor obtenido por otro experimento de hace unos años, el BNL E821, se obtiene un valor de a_{\mu} que difiere del valor predicho en 4.2\sigma. ¡Este resultado nos induce a pensar que puede existir más física detrás del modelo estándar! La imagen esquemática de la anomalía viene representada en la figura (2).

Figura 2: Imagen obtenida de [5]. Se observa el rango para los valores que serían asequibles dentro de las predicciones del modelo estándar y el rango para las medidas de los experimentos FLAB y BNL E821. Se puede ver como la diferencia entre ambas cantidades es la ya mencionada.

Conclusiones.

La principal conclusión con la que se debe quedar el lector, por mucho que a mí me duela, es no entusiasmarse demasiado. Con este tipo de medidas hay que ser muy cautos y tener mucha paciencia. La ciencia es así. Es cierto que se ha obtenido un resultado sorprendente, con una diferencia de 4.2\sigma, pero todavía necesitamos muchos más datos y experimentos para afirmar que ha habido un fallo en las predicciones del modelo estándar. Para mayor información y búsqueda sobre la parte técnica del experimento véase [5], que es la publicación original, o el vídeo resumen dado por FLAB [3].

Bibliografía

  • [1] URL de la figura 1: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/Modelo_standard_particulas_subat%C3%B3micas.png
  • [2] https://muon-g-2.fnal.gov/
  • [3] https://www.youtube.com/watch?v=ZjnK5exNhZ0&t=490s
  • [4] Aoyama, T., Asmussen, N., Benayoun, M., Bijnens, J., Blum, T., Bruno, M., . . . Zhevlakov, A. S. (2020). The anomalous magnetic moment of the muon in the standard model. Physics Reports, 887, 1-166. doi:10.1016/j.physrep.2020.07.006
  • [5] Abi, B. et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm, PhysRevLett. Vol. 126. Pg. 141801, 10.1103/PhysRevLett.126.141801
  • [6] URL de la imagen destacada: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Fermilab_g-2_%28E989%29_ring.jpg
  • [7] https://es.wikipedia.org/wiki/Regla_68-95-99.7

Miguel Jimenez Ortega

Estudiante de último curso de Física en la Universidad de Granada (UGR). Apasionado de la física y las matemáticas, trabajando por una divulgación científica clara e interesante.

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