Esta semana fue importante para la física porque el 7 de Abril se anunciaron los primeros resultados del tan esperado experimento “g-2” llevado a cabo por el laboratorio Fermilab para intentar poner fin al misterio sobre el g-factor de los muones iniciado en los 90s cuando el laboratorio de Brookhaven reportó una medición algo alejada del valor teórico. Si no se resuelve el misterio, esto podría significar que hay que cambiar una de las teorías más difíciles de cambiar: el Modelo Estándar.
Imagen del detector de Fermilab
¿Qué son los muones?
El Modelo Estándar es lo más cercano que tenemos a una tabla periódica de las partículas que conforman el universo y las fuerzas que las gobiernan. La verdad es que hay muchas cosas que no puede explicar (materia oscura, energía oscura, etc), pero lo que sí, lo explica muuuy bien
Una de esas partículas es el muón, que es exactamente igual que el electrón sólo que un poco más pesado. Y así como el electŕon, el muón tiene un momento magnético dado por su carga y su spin cuántico.
¿Qué es “g-2”?
El momento magnético dice qué tan rápido orbita (o “precesa”) el eje del spin alrededor de un campo magnético externo cuando pones al muón en él. Se le conoce como “g-factor” (factor giromagnético) y al resultado de la medición (para el caso del muón) se le llama “g-2” porque g es caaaasi 2.
No es 2 porque hay fluctuaciones cuánticas que desvían su valor un poco. ¿Qué son estas “fluctuaciones”? Son “partículas virtuales” que aparecen por la interacción entre el muon y el campo magnético al calcular g usando teoría cuántica de campos (QFT)
Estas partículas virtuales se crean a partir de la desintegración del muón, pero sólo existen por un muy breve instante para volver a re-combinarse en el muón jaja. El problema es que hay una infinidad (literalmente) de posibles formas en que se pueden desintegrar y recombinar y como el proceso es cuántico, todas ocurren al mismo tiempo (hay superposición de estados), así que hay que calcularlas todas para poder calcular g. Hay unas combinaciones más probables/sencillas que otras, pero al final todas están dadas por el Modelo Estándar.
Imaginen al Modelo Estándar como las piezas de un rompecabezas para el que, en este caso, sabes que la primera pieza y la última pieza son muones (aunque no siempre tiene que ser así) y tienes que ir poniendo todas las posibles piezas que embonen en medio (técnicamente, antes de que los muones lleguen al detector, se desintegran en electrones y estos son los que se observan, así que la última pieza del rompecabezas sería un electrón, pero no es tan relevante por ahora).
El mejor cálculo que se tiene para el g-factor considera (si no mal vi por ahí) unas 15 mil combinaciones posibles y el experimento de Fermilab mide un valor alejado a unas 4.2 sigmas (desviaciones estándar) de él. ¿Esto es suficientemente diferente como para signficar algo?
El experimento
En física de partículas cuando se hace una medición, se busca que varios equipos la corroboren de forma independiente en sus propios laboratorios antes de darla por hecho. Este de Fermilab es el segundo de ellos y el primero se hizo en los 90s por el laboratorio de Brookhaven midiendo un valor alejado unas 3.4 sigmas del valor teórico.
Resultados de las mediciones del g-factor
Por cierto, algo curioso es que Fermilab tomó prestado un acelerador de Brookhaven y lo tuvieron que transportar en un camión por toda la costa este y hay un buen de fotos de este estilo jajajaja
Anyway, en física de partículas un valor aún se considera predicho por el modelo si está a lo mucho a 5 sigmas de distancia. 4.2 aún no se pasa, pero está sospechosamente cerca y, últimadamente, esta es una convención. No tiene que ser un límite estricto.
Se necesitan revisar aún algunos detalles, pero si esto fuera algo más que sólo una fluctuación estadística, puede significar varias cosas. De entrada, calcular las posibles combinaciones se va haciendo más difícil mientras menos probables son y hay un rango de error considerable para varias de las aquí consideradas, así que la diferencia en el resultado podría venir de ahí.
Algo más emocionante, podría ser alguna pieza faltante del rompecabezas: una nueva partícula, una fuerza nueva o algo completamente nuevo y diferente.
El problema es que el Modelo Estándar es muy muy bueno. Es difícil hacerle modificaciones coherentes a algo tan complejo que ya funciona muy bien sin que se empiecen a romper cosas. Si este fuera el indicio de nueva física, se avecinaría una época muy interesante…