«Podemos estar a punto de entender la «materia oscura», la «fuerza oscura», la asimetría materia/antimateria…»

"Podemos estar a punto de entender la "materia oscura", la "fuerza oscura", la asimetría materia/antimateria..." 2
PERE MASJUAN

PERE MASJUAN, físico teórico del Instituto de Física de Altas Energías de Barcelona y del departamento de física de la Universidad Autónoma de Barcelona. Miembro del equipo científico internacional que (desde el Fermilab, EEUU y el CERN, Europa) ha anunciado una importante novedad que podría cambiar la Física.

Adelantos“Átomo” significa “indivisible”, pero hace mucho que sabemos que no lo es. A partir de ahí, ¿qué es un muón?
Pere Masjuan –Cierto, el átomo se puede dividir en piezas más pequeñas, algunas de ellas ahora sí indivisibles (ver Figura 1). Entre ellas, la más conocida es el electrón, del que todavía no se conoce el tamaño, de lo pequeño que es. Un muón (μ) es una partícula muy parecida al electrón, pero unas 200 veces más masiva. Aunque sigue siendo una partícula ligera, 5 veces más ligera que un protón, es más sensible que el electrón a procesos y efectos que se manifiestan justamente gracias a la masa de la partícula.

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—Han detectado uds. una “anomalía” en el comportamiento del muón. ¿Qué es lo “normal” que se espera de un muón, y por qué el descubrimiento de ese comportamiento “anómalo” es tan importante para la Física, que hasta se anuncia una “Nueva Física”?

–Entre las propiedades físicas que tiene un muón, sabemos que tiene carga eléctrica y espín. Esta última es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, y de naturaleza cuántica, sin paralelo en el mundo clásico, aunque se podría interpretar como su capacidad de rotar sobre un eje interno que no se puede observar (como una peonza). De esta manera, el espín contribuye al momento angular de esa partícula y sus consecuencias sí se pueden medir (ver Figura 2). Una partícula que tiene espín y carga eléctrica, además, tiene momento magnético, se comporta como un imán, como si fuera una fuente magnética, y el momento magnético será la medida de la fuerza de esta fuente, eso es, cómo de imán es ese imán.

“Este experimiento demuestra que el muón no encaja del todo en la Física Estándar, y no podemos explicarlo»

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–Este fenómeno se ha observado en electrones y muones, pero también en núcleos atómicos y otras partículas compuestas, con lo que se conoce muy bien y de hecho se usa, entre otros, en resonancias magnéticas. El Modelo Estándar de la Física de Partículas (ver Figura 3) es una teoría matemática que es capaz de predecir con mucha precisión cómo de “imán” es un muón y cómo se hablará con el campo magnético externo para explicarnos el porqué del cabeceo del espín. Al combinar relatividad con mecánica cuántica, nos dice que el momento magnético del muón es anómalo, eso es, que es distinto del cálculo clásico que nos diría que ese momento es proporcional a un factor g exactamente igual a 2. Hoy en día, el cálculo teórico de la diferencia entre g y 2 tiene una precisión de 10 cifras decimales para el caso del muón. La observación experimental de este fenómeno también se puede hacer con una precisión similar y lo que se había visto hasta la fecha y se confirmó este Abril pasado en el experimento “Muon g-2” en FermiLab es que el muón es más imán de lo que predice la teoría, que g-2 (la diferencia entre g y 2) es más grande de lo esperado, y esa diferencia no somos capaces de explicarla. ¿Quién otorga al muón esa sobre-imantación? No lo sabemos. ¿Está actuando muy sutilmente un agente nuevo, desconocido? Podría ser!

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—¿En qué consisten esos “fenómenos físicos que la teoría actual no puede explicar”?

–Que el factor g sea distinto de 2 es una consecuencia de cómo el muón se habla con su entorno cuando está inmerso en un campo magnético (ver figura 4). El muón habla básicamente el lenguaje de la electrodinámica (la interacción con fotones y las partículas cargadas eléctricamente), pero también sabe hablar otros idiomas como el relacionado con la fuerza nuclear débil e indirectamente, y gracias a los fotones mencionados, también con la fuerza nuclear fuerte. Estas últimas fuerzas aparecen muy raramente y con una magnitud muy pequeña pero como podemos medir con tantísima precisión, estos efectos tan pequeños se pueden apreciar. A ese nivel, y viendo la persistente discrepancia entre el Modelo Estándar y la medida experimental para la cantidad g-2 del muón, uno podría especular que existe una nueva fuerza en la naturaleza que de alguna manera desconocida afecta esta propiedad del muón o alguna otra propiedad de alguna otra partícula que a su vez afecta al muón. Debe ser un efecto muy sutil porque se necesitan diez cifras decimales para ser observado, pero es plausible.

“¿Está actuando muy sutilmente un agente nuevo, desconocido? Podría ser!.

—Las otras partículas subatómicas conocidas ¿se comportan todavía como es debido?

–Este fenómeno, esta desviación (ver Figura 5), se observa gracias a la precisión experimental a la que hemos llegado. Con esa precisión, solo experimentos parecidos con el electrón pueden competir. Con otras partículas subatómicas que deberían compartir efectos similares, no hemos sido capaces todavía de observar nada. Lo interesante es que para el electrón, que se mide incluso con más precisión (hasta trece cifras decimales), no se observa una discrepancia apreciable con lo que el hecho de que si se observa en el muón solo se puede explicar si este nuevo fenómeno es proporcional a la masa de la partícula.

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—El Universo que creemos conocer podría ser, en realidad, muy distinto. ¿Cómo de distinto?

–El efecto observado es muy, muy, sutil. Pero de ser corroborado por otros experimentos, y confirmado por cálculos matemáticos más precisos todavía, implicaría la existencia de una nueva fuerza de la naturaleza. Esto implicaría un cambio de paradigma y la oportunidad de entender otros fenómenos por los cuales el Modelo Estándar no es capaz de dar respuesta, fenómenos como los de la existencia de materia oscura, fuerza oscura, la asimetría materia-antimateria!

“Debe ser un efecto muy sutil, porque se necesitan diez cifras decimales para ser observado, pero es plausible»

  —Los investigadores americanos y ustedes los europeos están revisándose recíprocamente los resultado del experimento. ¿Por qué?

–De confirmarse el resultado del experimento, se nos abriría un escenario vertiginoso, de consecuencias seguramente inexploradas. Pero antes de llegar a ese punto, es fundamental que tanto el cálculo teórico como la medida experimental se hayan escrutado hasta la saciedad por más de un grupo. Tanto el cálculo teórico como la medida experimental tienen errores sistemáticos y estadísticos, como en cualquier medida y cualquier cálculo de precisión. Y aunque el tamaño de todos esos errores es más pequeño que la discrepancia entre teoría y experimento, a esa precisión, cualquier efecto pasado por alto podría resolver el misterio. Con cálculos tan complicados y medidas tan sofisticadas, se necesita tiempo y empeño en revisarlo todo, y esa es la tarea que nos toca ahora y que nos permite aprender mejor las herramientas que tenemos entre manos.

“Podríamos haber descubierto una fuerza de la Naturaleza desconocida hasta ahora»  

 

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—Toda esa experimentación, suponemos, sigue en marcha y necesita mucho dinero. ¿Cómo y cuánto contribuye España?

–El experimento en Fermilab sigue tomando datos y lo seguirá haciendo los próximos cuatro o cinco años. Esos datos, a medida que se van obteniendo, se van analizan estadísticamente y se van publicando sus resultados, con lo que tendremos en los próximos años resultados para g-2 del muón con más y más precisión. A la par, el cálculo teórico, no exento de incertidumbres, se escruta y se mejorará también en los próximos años. La contribución experimental está clara, proviene del experimento “Muon g-2” que se lleva a cabo en las infraestructuras de Fermilab, en Estados Unidos, infraestructura que no recibe participación financiera por parte de otros países. La contribución se podría hacer aportando capital humano a la colaboración pero esto, de forma intencionada, tampoco se hace. El cálculo teórico se consensúa entre aquellos que han participado en él, y aquí la contribución española ya es distinta, porque sí que tenemos grupos, como el nuestro en el Instituto de Física de Altas Energías, que ha colaborado y liderado alguna de esas contribuciones, y lo seguirá haciendo en los próximos años.
(Dibujos con sus pies explicativos: Pere Masjuan)

partículas subatómicas

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