En los últimos días se ha montado un gran revuelo debido a las noticias sobre una nueva medida del momento magnético anómalo (el ya famoso “g-2”) del muon. ¿Qué significa y qué relevancia tiene? ¿hemos roto la física? Os lo contamos en este artículo.
Empecemos por el principio. ¿Qué es un muon? El muon es una partícula elemental descubierta por los norteamericanos Carl Anderson y Seth Neddermeyer en 1936. Sus propiedades son prácticamente idénticas a las del electrón. Como éste, se trata de un fermión con carga eléctrica negativa que siente únicamente las interacciones débiles y electromagnéticas. De hecho, es igual en todo al electrón, salvo en su masa, que es unas 200 veces mayor. Por esta razón, podríamos considerar al muon como una “versión pesada” del electrón. Al lector habitual de este blog no le sorprenderá esta comparación, puesto que estará familiarizado con el hecho de que en el Modelo Estándar, los fermiones vienen replicados en tres familias. El muon pertenece precisamente a la segunda de estas familias.
El muon no se encuentra en la materia ordinaria, formada por partículas de la primera familia: protones, neutrones y electrones. No obstante, puede producirse en algunas reacciones. Además, forma parte de la radiación cósmica, las partículas procedentes del espacio exterior que bombardean la Tierra continuamente. Fue precisamente en esta radiación donde Anderson y Neddermeyer descubrieron el muon.
¡Y fue toda toda una sorpresa! En 1936 la existencia del muon no era necesaria para explicar ningún fenómeno y, por lo tanto, nadie lo había predicho. Es famosa la reacción del físico nuclear Isidor Isaac Rabi, quien pronunció la frase “Who ordered that?” (“¿quién ha pedido eso?”), poniendo de relieve que la partícula recién descubierta aparentemente no servía para nada. Como veremos, sin ella nos habríamos perdido una historia la mar de interesante.
¿Y qué es el g-2? Como sabéis, las partículas tienen un momento angular intrínseco llamado espín. No vamos a explicar aquí en detalle qué es el espín, puesto que eso nos llevaría un artículo entero. Podemos, de forma coloquial, resumirlo al decir que las partículas son como bolas que giran sobre su propio eje, sólo que no son bolas y no giran (joking but not joking!). El espín sería precisamente el momento angular asociado a ese giro intrínseco. Y gracias al él, las partículas adquieren nuevas formas de interaccionar con los campos electromagnéticos. Una de esas formas es el momento magnético. Esta cantidad (warning: en realidad se trata de un vector) nos dice cómo reacciona la partícula al actuar sobre ella un campo magnético y puede ser medida experimentalmente con MUCHA (ahora veréis cuánta) precisión. El espín (S) y el momento magnético (μ) de una partícula se relacionan por esta ecuación:
q y m son su carga y su masa, respectivamente. Y os presento al protagonista de nuestra historia: el factor g. Medir el momento magnético del muon es equivalente a medir su factor g.
La historia del factor g es bastante interesante. Según la física clásica, g debería ser exactamente igual a 1. Sin embargo, tras diversos hallazgos experimentales y teóricos, en 1928 se descubrió que la mecánica cuántica relativista predecía g = 2, justo el doble. Esto se deduce de la ecuación de Dirac, una de las más bellas de la historia de la física. Hoy en día sabemos que g no es exactamente 2. La teoría cuántica de campos predice pequeñas correcciones, causadas por partículas virtuales que aparecen y desaparecen continuamente, modificando la forma en que el muon interacciona con el campo magnético. Por esta razón, a la diferencia entre g y 2 (es decir, a “g-2”) se le llama momento magnético anómalo. Y ahora viene la clave que nos interesa…
En el g-2 del muon se codifica el efecto de las partículas virtuales que interaccionan con él. ¡Y en él podrían ocultarse partículas desconocidas! Medir un g-2 del muon diferente del esperado sería una forma de percibirlas, de detectar una tenue huella que les delata. Por eso nos interesa tanto el g-2 del muon.
¿Y qué g-2 esperamos para el muon? Dentro del Modelo Estándar podemos calcular el g-2 del muon, considerando como partículas virtuales todas las que conocemos. Se trata de un cálculo MUY complicado. Tanto, que se hace en paralelo por grupos de científic@s diferentes para poder contrastar resultados. Recientemente, la Muon g-2 Theory Initiative publicó este resultado. El paréntesis indica el margen de error.
Ahora falta la segunda parte: hay que medirlo para ver si obtenemos este resultado (y por lo tanto el Modelo Estándar está OK) o uno diferente (y por lo tanto el Modelo Estándar no está tan OK). Dado el revuelo… ¿qué creéis que ha pasado? Pues que el experimento Muon g-2, situado en el laboratorio Fermilab (cerca de Chicago, en los Estados Unidos), acaba de anunciar sus primeros resultados. Este experimento consiste en almacenar muones en un anillo circular sobre el actúa un campo magnético intenso. Como los muones son partículas inestables, pasado un tiempo se desintegran, produciendo nuevas partículas. Y estudiando las propiedades de las partículas producidas es posible determinar el g-2 del muon. Tras analizar muy a fondo los datos recogidos, l@s científic@s de la colaboración Muon g-2 han llegado al numerito que podéis ver en la imagen.
Comparad con el resultado téorico. ¿Qué os parece? ¡Efectivamente! ¡Son distintos! Y lo más importante: los dos valores no se solapan ni siquiera dentro de sus márgenes de error. La gente del experimento Muon g-2 lo celebraría por todo lo alto. Habían descubierto un fallo en el Modelo Estándar.
Pero… vayamos más despacio… ¿estamos seguros de que han descubierto un fallo en el Modelo Estándar? ¿se han detectado efectos de nuevas partículas? Para responder a estas cuestiones hay que contar algunas cosillas más.
En realidad, la anomalía en el g-2 del muon se conoce desde hace años. El experimento E821 de Brookhaven (otro laboratorio en los Estados Unidos) ya había encontrado un valor diferente del predicho por el Modelo Estándar. Pero al ser solamente un experimento nos quedaba la duda. Por lo tanto, es muy importante que los dos experimentos encuentran valores muy similares. Eso nos da confianza en sus resultados. Uno podría meter la pata y dar un resultado incorrecto, pero dos sería muy raro.
Tiene, por lo tanto, muy buena pinta y estamos muy emocionad@s, pero hay algunos detalles importantes a tener en cuenta antes de de enterrar al Modelo Estándar. Así que… ahora vienen las “bajonas”.
La primera es que todavía no estamos 100% seguros (estadísticamente hablando) de que haya una diferencia entre teoría y medida. Al obtener un resultado experimental hemos de asegurarnos de que no se ha debido a una fluctuación casual, sino que la tendencia observada se confirma al acumular más datos. Y para ello necesitamos estimadores estadísticos, como los famosos “σ”. En algunas áreas científicas, entre las que se encuentra la física de partículas, hemos establecido la convención de exigir una confianza de 5σ (1 posibilidad entre 3.5 millones de que la medida sea casualidad) para estar completamente seguros de un resultado. Y en el caso del g-2 del muon nos encontramos ahora en 4.2σ. Falta. Poco, pero falta. Y la segunda “bajona” es que el cálculo teórico en el Modelo Estándar es muy complicado y podría haberse subestimado el margen de error del resultado obtenido. En concreto, ciertas partes del cálculo son actualmente objeto de debate entre l@s expert@s. Si el valor correcto fuera un poquito más alto desaparecería la anomalía. De hecho, uno de los equipos que se dedican a obtener el g-2 del muon encuentra un resultado mucho más cercano al experimento. El resultado del grupo BMW (con gente en Budapest, Marsella y Wuppertal) es muy controvertido y muchos dudan de él, pero ahí está…
Ahora, supongamos que la anomalía es cierta. En ese caso se ha visto… ¡nueva física! Hemos visto la patita de una o varias partículas, que aparecen de forma virtual en el momento magnético del muon. ¿Qué partículas serán? Ideas hay a porrones… Podrían ser nuevos leptones, nuevos bosones vectoriales procedentes de nuevas interacciones de la naturaleza, bosones de Higgs adicionales, materia oscura… ¡imaginación al poder!
Mientras unos disfrutamos especulando, otros están refinando los cálculos en el Modelo Estándar para llegar a un acuerdo final. Además, el experimento Muon g-2 en Fermilab seguirá tomando datos para realizar una medida todavía más precisa. ¡Esperamos despejar las incógnitas pronto!
