Hallan la mayor evidencia hasta ahora de una 'nueva Física'

El experimento, pues, muestra una intrigante discrepancia con el modelo teórico que ha servido de guía a los físicos durante los últimos sesenta años. La validez del Modelo Estándar ha sido demostrada una y mil veces durante las últimas décadas. Una por una, en efecto, sus predicciones se han ido cumpliendo, la última de ellas el bosón de Higgs . Aún así, hay toda una serie de cuestiones que el Modelo Estándar no consigue explicar, entre ellas la materia oscura , la energía oscura o la aparente ausencia en el Universo de antimateria , que el Big Bang debería haber producido en igual cantidad que la materia ordinaria de la que están hechos los planetas estrellas y galaxias que podemos ver.

Por eso, los físicos están convencidos de que en alguna parte se oculta una ' nueva Física ' capaz de arrojar luz sobre lo que aún se desconoce. Encontrarla, sin embargo, no es tarea fácil, y los investigadores 'estrujan' el Modelo Estándar con la esperanza de hallar una leve discrepancia, un tenue hilo que les conduzca a todo un tesoro oculto de nuevos descubrimientos. El experimento del Muon g - 2 podría ser ese hilo.

Se trata, por ahora, de resultados preliminares, y los físicos del Fermilab siguen analizando los datos. Pero, si se mantienen, podrían conducir a cambios profundos en la física teórica, y revelar la existencia de toda una serie de partículas fundamentales totalmente nuevas y desconocidas hasta ahora . En otras palabras, en el diminuto reino de las partículas subatómicas podría haber formas de materia y de energía que resultan esenciales para la naturaleza y la evolución del Universo, pero que la ciencia todavía no conoce. El trabajo, extremadamente alentador para todos aquellos que buscan pistas de esa Nueva Física, se acaba de publicar en ' Physical Reviews Letters' .

«Hoy es un día extraordinario, muy esperado no solo por nosotros sino por toda la comunidad física internacional -asegura Graziano Venanzoni , co-portavoz del experimento Muon g - 2 e investigador del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear-. Gran parte del mérito es para nuestros jóvenes investigadores que, con su talento, ideas y entusiasmo, nos han permitido lograr este increíble resultado».

Un muón es cerca de 200 veces más masivo que su pariente más cercano, el electrón . Los muones se producen de forma natural cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera de la Tierra, y también pueden 'fabricarse' de forma artificial y en grandes cantidades en los aceleradores de partículas.

Igual que los electrones, los muones actúan como si tuvieran un pequeño imán en su interior. Bajo un fuerte campo magnético externo, la dirección de ese imán se bambolea , igual que el eje de una peonza en rotación. La fuerza del imán determina la velocidad a la que se produce el 'bamboleo' o precesión del muón dentro del campo magnético, y se describe por medio de un número que los físicos llaman ' factor g ', que se puede calcular con extrema precisión.

Pero no solo eso. Además, y a medida que los muones circulaban a través del experimento Muon g - 2 del Fermilab, también interactuaban con una ' espuma cuántica ' hecha de partículas subatómicas virtuales, que aparecen y desaparecen continuamente de y en el vacío. Las interacciones con esas partículas de vida efímera afectan al valor del factor g, lo que hace que la precesión de los muones frene o acelere ligeramente.

El Modelo Estándar predice la existencia de las partículas virtuales, y también el valor de ese « momento magnético anómalo » con extraordinaria precisión. Pero si resultara que la espuma cuántica contiene fuerzas o partículas adicionales, no tenidas en cuenta por el Modelo Estándar, el factor g de los muones se alteraría más de lo previsto. Y eso, un bamboleo 'extra' de los muones no explicable por la teoría, es precisamente lo que observaron los científicos del experimento Muon g - 2.

«Las cantidades que medimos -explica Renee Fatemi , responsable de simulaciones del experimento- refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el Universo. Pero cuando los teóricos calcularon la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtuvieron la misma respuesta. Y eso es una evidencia muy fuerte de que el muón es sensible a algo que no está descrito en nuestra mejor teoría».

La historia viene de lejos. Ya en 2001, los físicos de Muon g-2 (entonces laboratorio de Brookhaven) insinuaron por primera vez que «algo no iba bien» con los muones . Ese año, en efecto, se obtuvieron los primeros indicios de que el comportamiento de los muones no se ajustaba a lo predicho por el Modelo Estándar. Hoy, el nuevo experimento concuerda con el anterior, y diverge de la teoría a pesar de que las mediciones son ahora mucho más precisas que las tomadas hace dos décadas.

Los resultados combinados de los dos experimentos confirman, pues, que existen serias diferencias con la teoría. y lo hacen con una significación estadística de 4,2 sigma, apenas algo por debajo de los 5 sigma (o desviaciones estándar) que los científicos necesitan antes de dar por bueno un descubrimiento. Eso significa que la probabilidad de que los resultados sean una simple fluctuación estadística es de aproximadamente 1 entre 40.000.

Para el experimento actual, los físicos de Fermilab reutilizaron el principal componente de Brookhaven, un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 15 metros de diámetro. En 2013, el anillo fue transportado más de 5.000 km hasta las afueras de Chicago, donde se encuentra el Fermilab. Durante los cuatro años siguientes, los investigadores prepararon el experimento, sintonizando y calibrando un campo magnético extraordinariamente uniforme, desarrollando nuevas técnicas, instrumentos y simulaciones y probando a fondo todo el sistema.

Una vez todo preparado, el experimento Muon g - 2 envió un haz de muones al anillo de almacenamiento, en cuyo interior las partículas circulan casi a la velocidad de la luz. Los detectores que recubren el anillo permitieron a los científicos determinar en cada momento cómo de rápida era la precesión (el bamboleo) de los muones.

Durante su primer año de funcionamiento, en 2018, el experimento de Fermilab consiguió recopilar más datos que todos los experimentos previos de factor g de muones juntos. Con más de 200 científicos de 35 instituciones de 7 países diferentes , la colaboración Muon g - 2 ha analizado ya el movimiento de más de 8.000 millones de muones de aquella primera ejecución. Una cifra abultada, pero que apenas es un pequeño porcentaje del total de los datos que aún quedan por analizar.

El análisis de los datos de la segunda y tercera ejecución del experimento están en marcha, la cuarta ejecución está en curso y ya se planea incluso una quinta 'tanda' de muones. La combinación de los resultados de todas ellas dará a los científicos una medida aún más precisa de la oscilación del muón, y determinará con una certeza sin precedentes si la tan ansiada Nueva Física se oculta, o no, en el interior de la espuma cuántica de partículas virtuales.

«Hasta ahora -explica Chris Polly , portavoz del experimento y que también participó en el anterior de Brookhaven- hemos analizado menos del 6% de los datos que el experimento, eventualmente, recopilará. Y aunque estos primeros resultados nos dicen que existe una diferencia intrigante con el Modelo Estándar, aprenderemos mucho más en los próximos años».