Muon g-2 se duplica con las últimas mediciones y explora territorio inexplorado en busca de nueva física

Los físicos ahora tienen una medición completamente nueva de una propiedad del muón llamada momento magnético anómalo, que mejora la precisión del resultado anterior en un factor de 2.

Una colaboración internacional de científicos que trabajan en el experimento Muon g-2 en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. anunció la tan esperada medición actualizada el 10 de agosto. Este nuevo valor refuerza el primer resultado anunciado en abril de 2021 y establece un enfrentamiento entre teoría y experimento a lo largo de 20 años de elaboración.

“Realmente estamos explorando nuevos territorios. Estamos determinando el momento magnético del muón con mayor precisión que nunca antes”. dijo Brendan Casey, científico senior del Fermilab que ha trabajado en el experimento Muon g-2 desde 2008.

Los físicos describen cómo funciona el universo en su nivel más fundamental con una teoría conocida como Modelo Estándar. Al hacer predicciones basadas en el Modelo Estándar y compararlas con resultados experimentales, los físicos pueden discernir si la teoría está completa o si hay física más allá del Modelo Estándar.

Los muones son partículas fundamentales similares a los electrones, pero unas 200 veces más masivas. Al igual que los electrones, los muones tienen un pequeño imán interno que, en presencia de un campo magnético, hace precesión o se tambalea como el eje de una peonza. La velocidad de precesión en un campo magnético determinado depende del momento magnético del muón, generalmente representado por la letra gramo; En el nivel más simple, la teoría predice que gramo debe ser igual a 2.

la diferencia de gramo de 2 – o gramo menos 2 – se puede atribuir a las interacciones del muón con las partículas de la espuma cuántica que lo rodea. Estas partículas aparecen y desaparecen y, como “compañeros de baile” subatómicos, agarran la “mano” del muón y cambian la forma en que éste interactúa con el campo magnético. El modelo estándar incorpora todas las partículas conocidas de “compañeros de baile” y predice cómo cambia la espuma cuántica gramo. Pero puede haber más. Los físicos están entusiasmados con la posible existencia de partículas aún no descubiertas que contribuyen al valor de g-2 – y abriría la ventana para explorar nueva física.

El nuevo resultado experimental, basado en los datos de los primeros tres años, anunciado por la colaboración Muon g-2 es:

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (estat.) +/- 0,00000000019 (sist.)

La medición g-2 corresponde a una precisión de 0,20 partes por millón. La colaboración Muon g-2 describe el resultado en un documento que presentaron hoy a Cartas de revisión física.

Con esta medición, la colaboración ya ha conseguido el objetivo de reducir un tipo concreto de incertidumbre: la incertidumbre provocada por imperfecciones experimentales, conocidas como incertidumbres sistemáticas.

«Esta medición es un logro experimental increíble», dijo Peter Winter, coportavoz de la colaboración Muon g-2. «Reducir la incertidumbre sistemática a este nivel es un gran logro y algo que no esperábamos lograr tan pronto».

Aunque la incertidumbre sistemática total ya ha excedido el objetivo del proyecto, el aspecto más amplio de la incertidumbre (la incertidumbre estadística) está impulsado por la cantidad de datos analizados. El resultado anunciado hoy añade dos años más de datos al primer resultado. El experimento Fermilab alcanzará su máxima incertidumbre estadística una vez que los científicos incorporen los datos de los seis años en sus análisis, algo que la colaboración pretende completar en los próximos años.

Para realizar la medición, la colaboración Muon g-2 envió repetidamente un haz de muones a un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 15 metros de diámetro, donde circularon unas 1.000 veces a casi la velocidad de la luz. Los detectores que recubren el anillo permitieron a los científicos determinar la rapidez con la que precedían los muones. Los físicos también deben medir con precisión la fuerza del campo magnético para luego determinar el valor de g-2.

El experimento Fermilab reutilizó un anillo de almacenamiento construido originalmente para el experimento predecesor Muon g-2 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, completado en 2001. En 2013, la colaboración transportó el anillo de almacenamiento a 3200 millas desde Long Island, Nueva York, hasta Batavia, Illinois. Durante los siguientes cuatro años, la colaboración unió el experimento con técnicas, instrumentación y simulaciones mejoradas. El objetivo principal del experimento Fermilab es reducir la incertidumbre de g-2 en un factor de cuatro en comparación con el resultado de Brookhaven.

«Nuestra nueva medición es muy interesante porque nos lleva mucho más allá de la sensibilidad de Brookhaven», dijo Graziano Venanzoni, profesor de la Universidad de Liverpool afiliado al Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, Pisa, y coportavoz del experimento Muon g-2 en Fermilab.

Además del conjunto de datos más amplio, esta última medición de g-2 se ve mejorada por actualizaciones del propio experimento de Fermilab. «Mejoramos muchas cosas entre el primer año de recopilación de datos y el segundo y tercer año». dijo Casey, quien recientemente terminó su mandato como coportavoz de Venanzoni. «Estábamos mejorando constantemente el experimento».

El experimento “realmente avanzó a toda máquina” durante los últimos tres años de recopilación de datos, que finalizaron el 9 de julio de 2023. Fue entonces cuando la colaboración apagó el rayo de muones, concluyendo el experimento después de seis años de recopilación de datos. Lograron su objetivo de recopilar un conjunto de datos 21 veces mayor que el conjunto de datos de Brookhaven.

Los físicos pueden calcular los efectos de las conocidas “compañeras de baile” del modelo estándar sobre el muón g-2 con una precisión increíble. Los cálculos consideran fuerzas electromagnéticas, nucleares débiles y nucleares fuertes, incluidos fotones, electrones, quarks, gluones, neutrinos, bosones W y Z y el bosón de Higgs. Si el modelo estándar es correcto, esta predicción ultraprecisa debería coincidir con la medición experimental.

Calcular la predicción del modelo estándar para el muón g-2 es un gran desafío. En 2020, la Iniciativa de Teoría del Muón g-2 anunció la mejor predicción del modelo estándar para el muón g-2 disponible en ese momento. Pero una nueva medición experimental de los datos que alimentan la predicción y un nuevo cálculo basado en un enfoque teórico diferente (la teoría del calibre de red) están en tensión con el cálculo de 2020. Los científicos de la Muon Theory Initiative g-2 pretenden tener una nueva predicción. y un enfoque mejorado disponible en los próximos años que considere ambos enfoques teóricos.

La colaboración Muon g-2 comprende alrededor de 200 científicos de 33 instituciones en siete países y hasta ahora incluye alrededor de 40 estudiantes que han recibido su doctorado en base a su trabajo en el experimento. Los colaboradores pasarán ahora los próximos años analizando los datos de los últimos tres años. «Esperamos otro factor de dos en precisión cuando hayamos terminado». Dijo Venanzoni.

La colaboración prevé la publicación de su medición final y más precisa del momento magnético del muón en 2025, estableciendo el enfrentamiento final entre la teoría del modelo estándar y el experimento. Para entonces, los físicos tendrán una medición nueva y mejorada del muón g-2, lo que es un paso significativo hacia su objetivo final en física.

El experimento Muon g-2 regresa con una nueva medición de precisiónJugar