Durante décadas, una extraña anomalía que involucra a una diminuta partícula subatómica llamada muón ha alimentado la especulación de que los físicos podrían estar a punto de descubrir una fuerza completamente nueva en la naturaleza. Ahora, un equipo de investigación internacional dirigido por un físico de Penn State dice que el misterio parece haber sido resuelto y que la respuesta respalda la física existente en lugar de revertirla.
Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista. la naturalezadescribe uno de los cálculos de física de partículas más precisos jamás realizados. Su trabajo demostró que la discrepancia largamente debatida entre teoría y experimento probablemente se debía a limitaciones de cálculos previos más que a evidencia de física desconocida.
Décadas de esperanza para la “nueva física”.
El misterio se centra en el muón, una partícula de vida corta similar a un electrón pero unas 200 veces más masiva. Durante más de 60 años, las mediciones del comportamiento magnético del muón parecieron no estar de acuerdo con las predicciones hechas por el Modelo Estándar, el marco que utilizan los científicos para describir las partículas y energías fundamentales del universo.
Esta discrepancia entusiasmó a los físicos porque indicaba la posibilidad de que existieran partículas no descubiertas o incluso una nueva “quinta fuerza” más allá de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas.
“Ha habido muchos cálculos en los últimos 60 años, y cuanto más precisos han sido, más apuntan a una anomalía y una nueva interacción que desafía las leyes conocidas de la física”, dijo Zoltan Fodor, Profesor Distinguido de Física de Penn State y autor principal del estudio. “Aplicamos un nuevo método para cuantificar esta discrepancia y demostramos que no existe. Esta nueva interacción no existe como esperábamos. Las antiguas interacciones pueden explicar completamente el valor”.
El equipo pasó más de una década perfeccionando los cálculos. Sus resultados finales coinciden entre las predicciones teóricas y las mediciones experimentales en menos de media desviación estándar. Según Fodor, el nuevo trabajo confirma el modelo estándar con 11 decimales y reduce significativamente la posibilidad de que en esta medición en particular se esconda física desconocida.
“La gente me pregunta cómo se siente al hacer este descubrimiento y, para ser honesto, me siento un poco triste”, dijo Fodor. “Cuando empezamos a calcular esta cantidad, pensamos que íbamos a hacer un cálculo bueno y fiel para una nueva quinta bola. En cambio, descubrimos que no existe una quinta bola. Encontramos no sólo una prueba muy precisa del modelo estándar, sino también de la teoría cuántica de campos, la base sobre la cual se construyó el modelo estándar”.
Extraño comportamiento magnético del muón
La investigación se centró en una propiedad conocida como momento magnético del muón, que describe con qué fuerza actúa la partícula como un pequeño imán. La teoría cuántica predice que el valor debería ser exactamente igual a dos, lo que representa la relación entre las oscilaciones de la partícula y el campo magnético que la rodea.
Sin embargo, en experimentos reales, los valores cambian ligeramente a medida que otras partículas aparecen y desaparecen brevemente en el espacio vacío, afectando sutilmente el comportamiento del muón. Esta pequeña desviación se conoce como “momento magnético extraordinario” o g−2.
Como los muones son mucho más pesados que los electrones, son particularmente susceptibles a estos efectos cuánticos transitorios. Esta sensibilidad convierte al muón g-2 en una de las medidas más estudiadas en la física moderna.
Los experimentos realizados en el CERN en las décadas de 1960 y 1970, más tarde en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y, más recientemente, en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi midieron el momento magnético del muón con notable precisión. Estos experimentos obtuvieron recientemente el Premio Breakthrough en Física Fundamental, uno de los premios científicos más prestigiosos del mundo.
A lo largo de los años, las mediciones experimentales continuaron pareciendo inconsistentes con las predicciones del Modelo Estándar, lo que reforzó las esperanzas de que algo completamente nuevo pudiera estar influyendo en el muón.
¿Por qué fuerzas tan fuertes hacen que el problema sea tan difícil?
El desafío de calcular el comportamiento de los muones proviene principalmente de la fuerza fuerte, la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. La fuerza fuerte une los quarks dentro de protones, neutrones y otras partículas.
A diferencia de la gravedad o el electromagnetismo, la fuerza fuerte se vuelve más fuerte a medida que las partículas se separan, como una banda elástica que se vuelve más apretada cuanto más se estira. Intentar separar partículas mantenidas juntas por fuerzas fuertes requiere tanta energía que en el proceso se pueden crear partículas completamente nuevas. Estas partículas adicionales complican el cálculo.
Debido a esta extrema complejidad, predecir con precisión el comportamiento de los muones dentro del Modelo Estándar sigue siendo uno de los problemas más difíciles de la física de partículas.
Supercomputadoras y cromodinámica cuántica reticular
Para abordar el problema, los investigadores se basaron en la cromodinámica cuántica reticular, una técnica computacional que simula la fuerza fuerte utilizando supercomputadoras masivas. El método divide el espacio y el tiempo en una cuadrícula o red muy fina, que permite a los científicos resolver numéricamente las ecuaciones que gobiernan las interacciones de las partículas.
“El antiguo método implicaba recopilar miles de resultados experimentales y reinterpretarlos para obtener un único número, el momento magnético del muón”, dijo Fodor. “Nuestro enfoque fue completamente diferente. Dividimos el espacio-tiempo en celdas muy pequeñas, una red, y luego resolvimos las ecuaciones del modelo estándar. Detrás de estos cálculos había muchísima teoría, matemáticas, programación, conocimiento computacional y arquitectura informática”.
Durante la última década, los cálculos de redes se han vuelto cada vez más poderosos, pero lograr la precisión requerida para los cálculos del muón g-2 ha sido excepcionalmente difícil. Por lo tanto, el equipo combina diferentes enfoques.
Utilizaron cálculos reticulares para distancias cortas y medias entre células e incorporaron mediciones experimentales altamente confiables para distancias más grandes donde los datos existentes ya coincidían firmemente. Esta estrategia híbrida redujo la incertidumbre de manera más efectiva que confiar en cualquiera de los métodos por separado.
Los investigadores simularon las ecuaciones utilizando una malla más fina que en estudios anteriores, mejorando aún más la precisión y reduciendo posibles errores.
El cálculo final representa la determinación más precisa del momento magnético del muón. Cuando se incorporan completamente las predicciones del Modelo Estándar, los desacuerdos de larga data con el experimento desaparecen en gran medida.
“La predicción combina las fuerzas electromagnética, débil y fuerte, cada una de las cuales requiere herramientas teóricas muy diferentes, en un único cálculo con una precisión de partes por mil millones”, dijo Fodor. “Esto demuestra que realmente entendemos cómo funciona la naturaleza a un nivel increíblemente profundo”.
Qué significan los resultados para la física
Según los investigadores, los hallazgos no descartan por completo la posibilidad de que exista una física no descubierta. Sin embargo, una de las pistas más fuertes posibles que apuntan fuera del modelo estándar se ha vuelto ahora mucho menos convincente.
Es posible que experimentos futuros aún descubran evidencia de nuevas partículas o energía en otros lugares, pero por ahora, el Modelo Estándar continúa resistiendo un intenso escrutinio.
“No hemos encontrado la quinta bola, pero hemos encontrado una prueba muy hermosa y quizás la mejor de la teoría cuántica, que es la teoría que subyace a toda nuestra comprensión de las cuestiones más fundamentales de la naturaleza”, dijo Fodor.
La parte de la investigación de Penn State fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. y el Consejo Europeo de Investigación.
