Qué tienen los muones de especial para estar en el punto de mira de buena parte de los físicos de todo el planeta

La física de partículas está atravesando una etapa muy emocionante. Probablemente la más apasionante desde que los responsables del CERN oficializaron en 2012 el descubrimiento del bosón de Higgs. La diminuta partícula que tiene a miles de físicos de todo el planeta ilusionados con la posibilidad de, por fin, ir más allá de la frontera de la teoría más sólida que tenemos para entender las leyes que rigen el funcionamiento del universo es el muon.

Los físicos sospechan que esta partícula es nuestra mejor baza a la hora de encontrar una fisura en el modelo estándar desde hace varios años. A priori puede parecer que dar con una grieta en la teoría que hasta ahora nos ha ofrecido la descripción más precisa del universo es una mala noticia, pero no lo es. Todo lo contrario; es una noticia buenísima.

Y lo es debido a que el modelo estándar es tan redondo y está tan bien apuntalado que hasta hace muy poco tiempo los físicos no sabían qué camino debían tomar para hacer nueva física. Para seguir encontrando la respuesta a las muchas preguntas acerca de la naturaleza que aún no podemos resolver.

Los físicos sospechan que los muones son nuestra mejor baza a la hora de encontrar una fisura en el modelo estándar desde hace varios años

Afortunadamente, lo que en principio solo era una sospecha ha adquirido durante las últimas semanas la consistencia suficiente para invitarnos a aceptar que esa nueva física podría estar relativamente cerca. Y en el centro de todas las miradas está la partícula de la que os he hablado en el primer párrafo de este artículo: el muon.

Qué es un muon

Muy a grandes rasgos y dejando a un lado los detalles complicados nos interesa saber que esta es una partícula elemental que, al igual que el electrón, tiene carga negativa. Sin embargo, su masa es aproximadamente 207 veces mayor que la del electrón, lo que provoca que aceleren con más lentitud cuando se les somete al efecto de un campo electromagnético. Y también que emitan menos radiación de frenado, que es una forma de radiación electromagnética que se produce debido a la deceleración de una partícula con carga eléctrica.

Los muones solo se producen cuando tienen lugar colisiones de alta energía, como aquellas en las que intervienen los rayos cósmicos o las que tienen lugar en los aceleradores de partículas

Los muones pertenecen a una familia de partículas conocida como leptones, en la que conviven con el electrón, el neutrino electrónico, el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico. En este artículo no necesitamos indagar en las características de estas partículas, pero nos viene bien saber que los muones son inestables, lo que provoca que cuando se originan decaigan rápidamente, desintegrándose para dar lugar a la producción de otras partículas, como los electrones, que son estables, o los neutrinos (solo el neutrino electrónico es estable).

Una característica muy importante de los muones es que solo se producen cuando tienen lugar colisiones de alta energía, como aquellas en las que se ven involucrados los rayos cósmicos, y también en las colisiones que los seres humanos provocamos en los aceleradores de partículas. Y aquí es donde realmente empieza nuestra historia, en dos experimentos que han sido llevados a cabo en los dos aceleradores de partículas más avanzados del planeta: el CERN y Fermilab.

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Como vamos a ver a continuación, estos dos experimentos, de los que ya os hemos hablado en Xataka, han arrojado luz acerca de una posible fisura en el modelo estándar. Y ambos tienen como protagonistas a los muones. El propósito de este artículo es ser lo más asequible posible, y, como podemos intuir, las implicaciones de estos experimentos son extraordinariamente complejas. Afortunadamente, podemos conocer a grandes rasgos en qué han consistido y por qué parecen dejarnos entrever resquicios en el modelo estándar sin necesidad de indagar en sus características más inaccesibles.

El experimento de Fermilab y el momento magnético del muon

Todos estamos familiarizados con los imanes debido a que están presentes en muchos de los dispositivos que utilizamos de forma cotidiana, como, por ejemplo, los altavoces. Sin embargo, la propiedad de estos objetos que nos interesa en este artículo, el momento magnético, es relativamente poco popular. Lo necesitamos como punto de partida, así que podemos definirlo como una magnitud vectorial que refleja la fuerza magnética y la orientación en el espacio de un objeto que es capaz de generar un campo magnético.

Lo curioso es que no solo los imanes pueden hacerlo. La mayor parte de las partículas subatómicas también genera un campo magnético, y, por esta razón, tienen un momento magnético. Los físicos encontraron hace mucho tiempo la forma de medir esta propiedad de las partículas, y por el camino decidieron introducir el factor g, que es una magnitud que identifica la proporcionalidad que existe entre el momento angular y el momento magnético.

Esta gráfica compara la predicción del modelo estándar con los resultados que han obtenido el Laboratorio Nacional de Brookhaven y Fermilab en el experimento Muon g-2.

Una forma más sencilla de entender qué es el factor g consiste en verlo como una magnitud que nos permite determinar cómo cambia el momento magnético de una partícula. El modelo estándar es capaz de predecir el factor g de una partícula con precisión, y todo iba bien hasta que a finales de los años 50 un grupo de físicos del CERN liderado por Leon Lederman puso en marcha un experimento conocido como Muon g-2 que pretendía, precisamente, medir el momento magnético del muon.

Los primeros experimentos del CERN arrojaron algunas dudas porque mostraban pequeñas discrepancias con el modelo estándar, pero no era nada que pudiese considerarse definitivo porque las medidas no eran lo suficientemente precisas. Más tarde, en los años 90, este experimento volvió a repetirse en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, que pertenece al Departamento de Energía de Estados Unidos. Esta vez las medidas fueron más precisas que las que obtuvo el CERN, y, de nuevo, los indicios de una anomalía en el momento magnético del muon estaban ahí.

La combinación de las medidas obtenidas en el experimento Muon g-2 por Fermilab y el Laboratorio Nacional de Brookhaven arroja una discrepancia de 4,2 sigmas

Si queríamos entender qué estaba pasando necesitábamos medidas aún más precisas, lo que provocó que durante la última década el experimento Muon g-2 se haya vuelto a repetir, pero esta vez en las instalaciones del laboratorio de física de altas energías estadounidense Fermilab. Hace unos días los investigadores de estas instalaciones, como os contamos en su momento, hicieron público el resultado de su experimento. Y su medida del factor g se aleja en 3 sigmas de la predicción del modelo estándar.

A grandes rasgos, y, de nuevo, sin entrar en detalles complicados, esta notación refleja la relevancia estadística de un resultado, de modo que 'más sigmas' indican una mayor significación estadística. La combinación de las medidas obtenidas en el experimento Muon g-2 por Fermilab y el Laboratorio Nacional de Brookhaven arroja una discrepancia de algo más de 4 sigmas con el modelo estándar (4,2 sigmas exactamente), por lo que aún queda algo por debajo de los 5 sigmas requeridos para confirmar la anomalía y minimizar la incertidumbre estipulada para afianzar un descubrimiento científico.

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Este resultado es muy significativo, y, aunque aún es necesario continuar analizando los datos antes de llegar a una conclusión definitiva, los investigadores barajan la posibilidad de que la desviación del factor g del muon, que en teoría debería ser 2, se deba a la presencia de una partícula desconocida o a una fuerza fundamental que aún no hemos identificado. Esta es una de las dos fisuras en el modelo estándar que mantiene a los físicos expectantes.

El experimento del CERN y la universalidad leptónica

El experimento en el que acabamos de indagar no es el único que aparentemente nos está permitiendo entrever una fisura en el modelo estándar. El detector LHCb del LHC, el acelerador de partículas del CERN, ha arrojado unas medidas que también son muy reveladoras. Este experimento ha sido diseñado principalmente para indagar en las propiedades del quark fondo o quark b (esta designación procede del inglés bottom quark).

Una característica muy relevante de los leptones, una familia de partículas a la que, como hemos visto, pertenecen el electrón, el muon y el tau, es que interactúan de la misma forma con las demás partículas. Este comportamiento se conoce como universalidad leptónica. Una consecuencia de esta propiedad consiste en que, si nos ceñimos a las partículas que son inestables, cuando decaen su desintegración da lugar a la generación de otras partículas, y todas ellas aparecen con la misma probabilidad.

El experimento LHCb del CERN ha sido diseñado principalmente para indagar en las propiedades del quark fondo o quark b (de ahí la 'b' de la sigla LHCb).

Sin embargo, los investigadores del CERN sospechan desde hace tiempo que cuando un mesón B se desintegra la universalidad leptónica descrita por el modelo estándar se rompe. Y las últimas medidas que han tomado parecen corroborarlo debido a que globalmente este decaimiento no produce el mismo número de electrones y muones, que es lo que en teoría debería suceder. Genera más electrones.

Una vez que hemos llegado a este punto debemos preguntarnos, al igual que con el experimento de Fermilab, cuál es la incertidumbre que maneja el experimento del LHCb. En este caso las medidas arrojan 3 sigmas, por lo que aún no han superado el umbral de los 5 sigmas necesario para concluir de una forma fehaciente que la universalidad leptónica se ha roto. Pero, tal y como sucede con el experimento anterior, este resultado abre un camino muy prometedor para desarrollar nueva física siempre y cuando, eso sí, los físicos consigan constatar que las fisuras que creemos entrever en el modelo estándar en realidad son grietas.

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La noticia Qué tienen los muones de especial para estar en el punto de mira de buena parte de los físicos de todo el planeta fue publicada originalmente en Xataka por Juan Carlos López .