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Una partícula que vive microsegundos, clave para descubrir una nueva fuerza en el universo

Equipo de investigadores del experimento Muon g2 en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi Fermilab
Equipo de investigadores del experimento Muon g-2 en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) .

Una colaboración internacional de 200 científicos avanza en un experimento que ya logró la medición más precisa jamás realizada del magnetismo del muon, una partícula similar al electrón que vive sólo dos microsegundos y no se comporta de acuerdo a las predicciones de la teoría actual, por lo que, según el último resultado publicado, el grupo está ante el «potencial descubrimiento» de nuevos tipos de materia y energías que revolucionarían por completo la física.

«Es un potencial descubrimiento y, por lo pronto, es un indicio para descubrir nuevos mecanismos de la naturaleza que podríamos explotar de alguna manera para el beneficio de la humanidad, así como hace 200 años se descubrió la electricidad», aseguró a Télam David Alberto Tarazona, investigador del experimento llamado Muon g-2 que se lleva adelante en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Hasta ahora se sabe que el mundo se rige por las fuerzas de gravedad, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, pero los datos obtenidos en Fermilab, uno de los laboratorios de física más importantes, podrían sugerir la existencia de una quinta fuerza de la naturaleza.

Hasta ahora se sabe que el mundo se rige por las fuerzas de gravedad, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, pero los datos obtenidos en Fermilab podrían sugerir la existencia de una quinta fuerza de la naturaleza.

El nuevo resultado publicado recientemente en la revista científica Physical Review Letters mejora la precisión de los cálculos anteriores y refuerza un enfrentamiento entre la teoría y los datos experimentales que ya lleva más de 20 años sin solución.

Las últimas mediciones indican que los muones se tambalean más rápido de lo que se pensaba, un hecho inesperado que desafía al Modelo Estándar de la física de partículas, una de las teorías científicas más exitosas por su poder de predicción.

Si bien todavía faltan más datos para confirmar el descubrimiento, en caso de validarse, sería como «hacerle una zancadilla» al Modelo Estándar, algo que ningún otro experimento logró hasta ahora, explicó Tarazona, oriundo de Colombia y el único latinoamericano al frente de la colaboración Muon g-2.

«Esto permitiría tomar otros modelos teóricos que sugieran nuevas partículas y puedan explicar los misterios de la física, como la materia oscura. Los físicos podemos describir sólo el 6 o 7 por ciento del universo, pero el otro noventa y pico por ciento no lo podemos entender», remarcó el doctor en física de 34 años que trabaja desde hace una década en el experimento.

Si bien todavía faltan más datos para confirmar el descubrimiento, en caso de validarse, sería como «hacerle una zancadilla» al Modelo Estándar, algo que ningún otro experimento logró hasta ahora.

La colaboración Muon g-2 comprende unos 200 científicos de 33 instituciones de siete países: Estados Unidos, Italia, Reino Unido, Alemania, China, Rusia y la República de Corea.

En medio de la expectativa que se originó en la comunidad científica luego de que se conocieran los últimos resultados en agosto, Tarazona indicó a Télam por qué el muon es clave para entender mejor el universo y advirtió que la disputa entre teoría y experimento recién se resolverá en 2025.

Como coordinador del grupo de dinámica, Tarazona se encarga de analizar los efectos que emergen del movimiento errático de los muones.

Qué es un Muon

El muon es una partícula fugaz similar al electrón, pero 200 veces más pesada, que se produce por los rayos cósmicos que llegan a la Tierra. «Es como el primo gordo del electrón», graficó el investigador colombiano por teléfono desde la ciudad de Ithaca, en el estado de Nueva York, donde trabaja en la Universidad de Cornell.

Reciben su nombre por la letra griega «mu», que es el símbolo científico utilizado para abreviar la palabra micro. Es que los muones tienen una corta vida de dos millonésimas partes de segundo (dos microsegundos).

Para entender la particularidad del muon, Tarazona propuso imaginarlo como un «imán pequeñito» que si es colocado en un campo magnético gira como un trompo.

La velocidad de ese movimiento depende de una propiedad del muon llamada momento magnético, que los científicos abrevian como «factor g» y debería ser igual a 2, según la teoría.

El muon es una partícula fugaz similar al electrón, pero 200 veces más pesada, que se produce por los rayos cósmicos que llegan a la Tierra: «Es como el primo gordo del electrón».

Pero el muon nunca está solo en el espacio vacío, sino que está rodeado por un séquito de otras partículas que actúan como «compañeros de baile» y cambian su interacción con el campo magnético.

Según los físicos, las partículas desconocidas que no figuran en la teoría hacen que el valor del factor g sea diferente a 2 y de ahí surge el nombre del experimento Muon g-2.

«Lo que nos interesa es calcular ese número que vendría de todas las partículas de las que está compuesta el universo«, precisó Tarazona.

Para medir el movimiento desviado del muon, en la sede de Fermilab, en Batavia, estado de Illinois, generaron un rayo de muones y lo dirigieron hacia un imán en forma de anillo de 14 metros de diámetro para observar cómo es la «danza magnética» de estas partículas.

Mientras los muones giraban alrededor del anillo en torno a los 273 grados bajo cero, los detectores registraron qué tan rápido se tambaleaban. Para alcanzar la mejor precisión posible, los aparatos funcionaron durante días enteros midiendo miles de millones de muones.

Los primeros resultados

En 2021 los científicos de Fermilab difundieron los primeros resultados, pero recién en agosto de este año lograron la medición de la oscilación magnética del muon más exacta de la historia.

El nuevo resultado es g-2 = 0,00233184110 y todos los esfuerzos se reducen a ese único número que sirve para comparar cuán grande es la diferencia con la teoría.

«Obtuvimos ese valor de g-2 a una precisión muy alta de 0.2 partes por millón. Ese número es como si le dieras la vuelta a la Tierra en su circunferencia paso por paso, pero si te desatinas en un solo paso, la precisión sería peor», afirmó Tarazona.

Al mismo tiempo que en Fermilab aumentan su precisión, otros científicos nucleados en el grupo internacional de la «Iniciativa Teórica» buscan producir un valor teórico de consenso único para comparar con los valores experimentales.

De acuerdo al cálculo tradicional de la Iniciativa Teórica, la diferencia entre el factor g-2 del experimento y la predicción teórica es significativa y abre las puertas a un descubrimiento.

Mientras la comunidad científica ajusta sus cálculos y experimentos, todavía restan dos años para el enfrentamiento final que resolverá si estamos ante el nacimiento de una nueva física.

Sin embargo, en el último tiempo los teóricos empezaron a utilizar técnicas con supercomputadoras para sus cálculos. Y el problema es que cuando se comparan los resultados parciales de esta técnica nueva con la última medición de Fermilab ya no habría discrepancias considerables.

«Es muy confusa la situación teórica en este momento, todavía no podemos concluir», dijo Tarazona y aseguró que mantiene las esperanzas de confirmar un descubrimiento porque «los teóricos no están bien establecidos con sus resultados».

Los resultados definitivos de la Iniciativa Teórica se publicarán en 2025, el mismo año en que Fermilab espera concluir con su medición más precisa.

Mientras la comunidad científica ajusta sus cálculos y experimentos, todavía restan dos años para el enfrentamiento final que resolverá si estamos ante el nacimiento de una nueva física.


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