¿Señales de una nueva Física?

De vez en cuando los científicos obtienen resultados interesantes que no se corresponden bien con las teorías dominantes e inducen a pensar en la existencia de nueva Física.

Si bien se debe ser muy cauto ante los nuevos resultados, porque en muchos casos se deben a puras fluctuaciones estadísticas o errores sistemáticos, su difusión global da lugar a libres interpretaciones que no se corresponden con el rigor del método científico.

La presentación a través de los medios científicos, como son los artículos en revistas especializadas y selectos congresos científicos o seminarios especializados, reúnen las condiciones exigidas para una difusión correcta y ética. No obstante, si bien el impacto científico multiplica el factor de discusión en revistas científicas especializadas, también surgen interpretaciones erróneas por parte de algunos medios de divulgación poco rigurosos.

Este es el caso de los primeros resultados del experimento Muon g-2 del Fermilab (EEUU), recientemente presentados a la comunidad científica, tras varios años de esfuerzo, que confirman e incluso amplían la tensión con lo esperado en el modelo teórico estándar. Efectivamente, la probabilidad de que haya una diferencia debida al azar, entre resultados experimentales y estudios teóricos del denominado momento magnético anómalo del muón, es muy baja (técnicamente decimos que es de 4,2 sigma), pero todavía superior al mínimo exigido para admitirlo como posible descubrimiento, que se corresponde, técnicamente, con 5 sigmas (indicando que de modo azaroso solo se daría una vez por cada tres millones de casos).

El experimento Muon g-2, que mostramos en la Figura 1, que se está desarrollando en el laboratorio Fermi de Chicago (el mismo laboratorio donde se descubrió el quark top, en 1995, con la participación de nuestra científica Teresa Rodrigo, recientemente desaparecida),

utiliza el mismo imán superconductor del anillo de almacenamiento, de algo más de siete metros de radio (ver Figura 2) , que se utilizó en un experimento previo en el laboratorio nacional de Brookhaven, si bien contiene grandes mejoras, como la mejora sustancial en la uniformidad del campo magnético de 1,4 Teslas y de todo el sistema de detección y de análisis de datos.

Figura 2: El imán de Muon g-2 llegando al laboratorio Fermilab (Crédito: Fermilab)

Cada segundo, miles de muones son almacenados en el anillo y ejecutan una vuelta cada 150 nanosegundos, aproximadamente. Los muones poseen una propiedad, característica de las partículas elementales, que se denomina spin y que tiende a alinearse con el campo magnético del imán ejecutando una precesión en el mismo que puede medirse y compararse con la predicha en el modelo estándar de la física de partículas elementales, el cual establece las propiedades de interacción entre los muones y el campo magnético aplicado.
Tras diversas mejoras realizadas, tanto en Fermilab como otras previas de Brookhaven y del CERN, el experimento Muon g-2 ha permitido obtener una propiedad relacionada con dicho spin que se denomina momento magnético anómalo, el cual se obtiene a partir de los datos obtenidos por las partículas procedentes de la desintegración del muon (concretamente los muones positivos se desintegran en positrones, antipartículas del electrón, y neutrinos). Los positrones son recogidos y analizados por los detectores del experimento, habiendo sido capaces de medir el momento magnético anómalo con una precisión de 0,46 partes por millón. Al combinar sus resultados con los realizados previamente, la precisión se mejora hasta 0,35 partes por millón.

Los cálculos teóricos realizados de acuerdo con el modelo estándar son, asimismo, muy precisos y se separan en 4,2 sigma (Figura 3) de los resultados experimentales, lo que ha provocado una tensión importante que mantendrá muy ocupados a teóricos y experimentales en los próximos años.

Figura 3: Valores experimentales y teóricos del momento magnético anómalo del muon, extraído del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS126,141801 (2021)

El experimento Muon g-2 continuará tomando datos en los próximos años. Paralelamente se seguirán realizando cálculos teóricos tratando de mejorar la precisión y confianza en los mismos, así como resolviendo la disputa existente con algún grupo teórico que, utilizando un método de cálculo diferente al utilizado en el artículo citado en el pie de la figura 3, obtiene resultados compatibles con los experimentales, aumentando, de esta forma, las discusiones en torno a la existencia o no de nueva física implícita en estas medidas.
Si se llegase a demostrar la existencia de nueva física, estaríamos ante un resultado científico excepcional. Hay diversas vías de nueva física que pueden explicar estas discrepancias, tan diversas que miles de artículos teóricos han surgido como consecuencia de la publicación de estos resultados.

Es interesante la discusión que realiza, en base a estos resultados, mi querido amigo y colega Tommaso Dorigo en su blog de ciencia:

http://(https://www.science20.com/tommaso_dorigo/new_muon_g2_results-253850)