Por Canuto  

Un cálculo basado en redes parece haber cerrado uno de los grandes enigmas de la física moderna, pero sus resultados chocan con décadas de mediciones electrón-positrón. La discrepancia obliga a los investigadores a elegir entre errores experimentales persistentes y la posibilidad de que nuevas partículas estén alterando el comportamiento de los quarks.

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  • El factor g-2 del muón permite estudiar la influencia de todas las partículas conocidas y buscar señales de física desconocida.
  • Las simulaciones de QCD en red coinciden con la medición de Fermilab, mientras que el método basado en datos apunta a otro resultado.
  • Una nueva medición de piones en el colisionador VEPP-2000 cambió significativamente el panorama y reabrió el debate.

 

Un misterio de 25 años en torno al comportamiento magnético del muón parecía haber llegado a su fin, pero la solución creó una contradicción todavía más profunda.

Los físicos comparan una medición extremadamente precisa del muón con cálculos que intentan describir todas las partículas que influyen en su movimiento. La diferencia original alcanzaba aproximadamente una parte en un millón, una escala pequeña en términos cotidianos, pero enorme para la física de partículas.

En 2021, una simulación mediante QCD en red coincidió con el resultado experimental de Fermilab con una precisión cercana a una parte en 100.000 millones. Ese avance redujo la fuerza de la hipótesis sobre partículas desconocidas, aunque también puso en conflicto los cálculos anteriores basados en datos de otros experimentos.

El muón como ventana al mundo cuántico

El muón es un primo más pesado del electrón y comparte con él varias propiedades fundamentales. También se comporta como un pequeño imán de barra cuando se mueve dentro de un campo magnético.

El campo magnético hace que el muón se tambalee mientras gira, y el tamaño de ese movimiento depende de un número conocido como factor g. Si la partícula estuviera completamente aislada, su factor g sería exactamente 2.

La teoría cuántica impide que el muón permanezca aislado en la práctica. Durante su movimiento, emite partículas efímeras, como fotones, que pueden generar nuevas partículas antes de que toda la cadena desaparezca y el muón las reabsorba.

Cada partícula existente puede contribuir de manera diminuta a ese proceso de emisión y reabsorción. Por esa razón, medir con precisión el valor adicional conocido como g-2 permite estudiar indirectamente cuántas partículas influyen en el universo cuántico.

Alex Keshavarzi, investigador principal del University College London, describió la medición del g-2 como un indicador de cuántas partículas existen en el universo. Una desviación inesperada podría revelar entidades todavía desconocidas, incluida alguna relacionada con la materia oscura.

De Brookhaven a Fermilab

El interés moderno por el problema aumentó en 2001, cuando un experimento del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Long Island, midió un factor g del muón mayor que el previsto por los cálculos disponibles en ese momento.

La diferencia fue suficientemente llamativa para sugerir que nuevas partículas podían estar afectando el movimiento de los muones. Los investigadores decidieron entonces repetir la medición con mayor precisión y recolectar una cantidad superior de datos.

En 2013, el anillo magnético de 50 pies de ancho utilizado en Brookhaven fue trasladado hasta el Laboratorio Nacional de Aceleración Fermi, conocido como Fermilab, en Illinois. El transporte requirió una compleja combinación de barcazas y camiones.

Mientras preparaban el nuevo experimento, los físicos también revisaron la predicción teórica que no coincidía con el resultado de Brookhaven. El reto principal consistía en calcular con detalle la influencia de las cuatro fuerzas fundamentales sobre el muón.

La gravedad puede ignorarse porque su efecto resulta demasiado débil, mientras que las contribuciones electromagnética y nuclear débil pueden calcularse con técnicas estándar. La fuerza fuerte plantea un problema distinto porque mantiene unidos a los quarks dentro de protones, neutrones y otras partículas compuestas.

Dos métodos para calcular el factor g-2

Para abordar la fuerza fuerte, algunos investigadores utilizaron un método basado en datos. En lugar de calcular directamente cada emisión y absorción de grupos de quarks, midieron procesos relacionados en colisiones entre electrones y positrones.

Cuando un electrón y su partícula de antimateria se aniquilan, pueden producir diversos grupos de partículas, incluidos quarks. La frecuencia con que aparecen esos productos permite inferir la intensidad con la que la fuerza fuerte afecta al muón.

En su tesis doctoral de 2018, Keshavarzi ayudó a perfeccionar este enfoque. La predicción basada en datos se publicó en junio de 2020 y mostró una diferencia importante frente a la medición experimental de Fermilab, publicada en abril de 2021.

La discrepancia se acercó al umbral estadístico estricto que los físicos exigen para declarar un descubrimiento de nuevas partículas. Sin embargo, otro grupo siguió una ruta más teórica y llegó a una conclusión diferente.

La colaboración BMW, formada por investigadores de Budapest, Marsella y Wuppertal, comenzó en 2014 a calcular el factor g-2 mediante QCD en red. El procedimiento divide el espacio en una cuadrícula y estima el comportamiento general de los quarks, de forma parecida a como los meteorólogos modelan la atmósfera.

La simulación que cambió la interpretación

Las primeras predicciones de la colaboración BMW eran diez veces menos precisas que las inferencias basadas en datos. Las partículas de baja energía requieren redes enormes, mientras que las de alta energía exigen una malla mucho más fina.

Durante una década, el grupo desarrolló técnicas computacionales y esperó el aumento de capacidad necesario para trabajar con redes suficientemente grandes y detalladas. Kalman Szabo, profesor de Wuppertal, dijo que alcanzar una precisión comparable a la del método basado en datos parecía inimaginable al principio.

En 2021, el resultado de BMW apareció en Nature el mismo día en que Fermilab presentó su medición actualizada del g-2. La simulación concluyó que los muones se tambaleaban exactamente como predecían las partículas y fuerzas conocidas.

Desde entonces, grupos independientes que utilizan QCD en red han publicado cálculos coincidentes. Muchos físicos consideran ahora que el misterio original desapareció porque las simulaciones explican completamente el movimiento adicional del muón.

El problema es que los cálculos basados en datos también parecen apoyarse en mediciones experimentales válidas. Si esos resultados antiguos entran en conflicto con las simulaciones y con los datos nuevos, la pregunta ya no se centra solamente en el muón.

El inesperado giro del colisionador VEPP-2000

La investigación se desplazó hacia las colisiones entre electrones y positrones utilizadas para inferir la contribución de la fuerza fuerte. Esos datos no coinciden con los resultados experimentales más recientes ni con la predicción de BMW.

En Novosibirsk, al sur de Siberia, el colisionador VEPP-2000 produce este tipo de colisiones desde comienzos del milenio. Su energía es 6.000 veces menor que la del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, ubicado cerca de Ginebra.

El VEPP-2000 dispone de dos detectores que registran con precisión la frecuencia con que aparecen piones en las colisiones. Estas partículas son grupos de quarks y sirven para estimar cuánto influye la fuerza fuerte sobre el comportamiento magnético del muón.

Los investigadores instalaron un detector completamente nuevo en 2010 y publicaron en 2023 una medición más precisa de la producción de piones. El nuevo resultado mostró un cambio significativo frente a los registros anteriores del propio detector.

Fedor Ignatov, físico de la Universidad de Liverpool y miembro del equipo, calificó el resultado como una sorpresa que nadie esperaba. Los investigadores revisaron exhaustivamente la medición y, hasta ahora, no han encontrado problemas.

Una disputa abierta entre experimentos

Las simulaciones recientes basadas en redes coinciden con la nueva tasa de producción de piones. Además, los datos preliminares del segundo detector del VEPP-2000 parecen apuntar en la misma dirección.

Otros resultados complican la interpretación. Un análisis de 2023 sobre datos recopilados previamente por el experimento BABAR, en California, coincide de manera sorprendente con la tasa antigua de piones.

La divergencia también aparece entre mediciones de experimentos realizados en Italia y Estados Unidos. Esas señales habían sido leves, pero la diferencia entre el detector nuevo y los resultados anteriores del VEPP-2000 hizo que el conflicto fuera difícil de ignorar.

Una explicación posible apunta a detalles experimentales que todavía no se han identificado y que generan la impresión de que los quarks se comportan de forma anómala. La otra posibilidad es más ambiciosa: partículas desconocidas podrían estar interfiriendo en las mediciones.

Los investigadores deben determinar si la tasa antigua o la nueva tasa de piones describe correctamente la realidad. Keshavarzi recordó que existen cuatro décadas de mediciones realizadas por distintos equipos, con procedimientos diferentes y en diversos experimentos, que no ofrecen una imagen coherente.

El resultado no confirma todavía una nueva partícula ni elimina por completo la posibilidad de física desconocida. La controversia exige nuevas mediciones, comparaciones independientes y una revisión detallada de cada procedimiento experimental.

La historia muestra por qué los grandes anuncios en física requieren más que una desviación estadística llamativa. Incluso cuando una simulación parece resolver un enigma de 25 años, los datos que la sustentaban pueden abrir un problema todavía mayor.

Imagen original de DiarioBitcoin, creada con inteligencia artificial, de uso libre, licenciada bajo Dominio Público.

Este artículo fue escrito por un redactor de contenido de IA.

 


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