Los investigadores han identificado el origen de las discrepancias en las predicciones recientes sobre el momento magnético del muón. Sus hallazgos podrían contribuir al estudio de la materia oscura y otros aspectos de la nueva física.

El momento magnético es una propiedad intrínseca de una partícula con espín, resultante de la interacción entre la partícula y un imán u otro objeto con un campo magnético. Al igual que la masa y la carga eléctrica, el momento magnético es una de las cantidades fundamentales de la física. Existe una diferencia entre el valor teórico del momento magnético de un muón, partícula de la misma clase que el electrón, y los valores obtenidos durante experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas.

La diferencia sólo aparece hasta el octavo decimal, pero ha intrigado a los científicos desde su descubrimiento en 1948. No es un detalle: puede indicar si el muón interactúa con partículas de materia oscura u otros bosones de Higgs, o incluso si los bosones de Higgs son desconocido. Hay fuerzas involucradas en el proceso.

Divergencias en el momento magnético del Muón.

El valor teórico del momento magnético del muón, representado por la letra g, viene dado por la ecuación de Dirac, formulada por el físico inglés y premio Nobel de 1933 Paulo Dirac (1902-1984), uno de los fundadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica. – como 2. Sin embargo, los experimentos han demostrado que g no es exactamente 2 y existe un gran interés en comprender “g-2”, es decir, la diferencia entre el valor experimental y el valor predicho por la ecuación de Dirac. El mejor valor experimental disponible actualmente, obtenido con un impresionante grado de precisión en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) en Estados Unidos y anunciado en agosto de 2023, es 2,00116592059, con un rango de incertidumbre de más o menos 0,00000000022.

«Determinar con precisión el momento magnético del muón se ha convertido en una cuestión clave en la física de partículas, porque el estudio de esta discrepancia entre los datos experimentales y las predicciones teóricas puede proporcionar conocimientos que podrían conducir al descubrimiento de un nuevo efecto espectacular», dijo el físico Diogo Boito, investigador de física. . profesor del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), dijo a Agência FAPESP.

Se publica en la revista un artículo sobre el tema de Boito y sus colaboradores Cartas de examen físico.

Nuevos conocimientos de la investigación

“Nuestros resultados fueron presentados en dos importantes eventos internacionales. Primero por mí en un taller en Madrid, España, y luego por mi colega Maarten Golterman de la Universidad Estatal de San Francisco en una reunión en Berna, Suiza”, dijo Boito.

Estos resultados cuantifican e indican el origen de una discrepancia entre los dos métodos utilizados para realizar las predicciones actuales del muón g-2. “Actualmente existen dos métodos para determinar un componente fundamental de g-2. El primero se basa en datos experimentales y el segundo en simulaciones por computadora de la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que estudia las interacciones fuertes entre quarks. Estos dos métodos producen resultados bastante diferentes, lo que plantea un problema importante. Hasta que no se resuelva el problema, no podremos estudiar la contribución de posibles partículas exóticas, como los nuevos bosones de Higgs o la materia oscura, por ejemplo, al g-2”, explicó.

El estudio logró explicar la discrepancia, pero para comprenderla debemos retroceder unos pasos y comenzar de nuevo con una descripción un poco más detallada del muón.

Anillo de almacenamiento de muones del Fermilab. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

El muón es una partícula que pertenece a la clase de los leptones, al igual que el electrón, pero cuya masa es mucho mayor. Por este motivo, es inestable y sólo sobrevive muy poco tiempo en un contexto de alta energía. Cuando los muones interactúan entre sí en presencia de un campo magnético, se desintegran y se reagrupan formando una nube de otras partículas, como electrones, positrones, bosones W y Z, de Higgs y fotones. Por lo tanto, en los experimentos, los muones siempre van acompañados de muchas otras partículas virtuales. Sus aportaciones hacen que el momento magnético real medido experimentalmente sea mayor que el momento magnético teórico calculado mediante la ecuación de Dirac, que es igual a 2.

“Para conseguir la diferencia [g-2]es necesario considerar todas estas contribuciones –tanto las predichas por QCD [in the Standard Model of particle physics] y otros que son más pequeños pero aparecen en mediciones experimentales de alta precisión. Conocemos muy bien muchas de estas contribuciones, pero no todas”, dijo Boito.

Los efectos de la interacción fuerte QCD no pueden calcularse teóricamente únicamente, porque en algunos regímenes energéticos no son prácticos. Por tanto, existen dos posibilidades. Uno de ellos se ha utilizado durante algún tiempo e implica el uso de datos experimentales obtenidos de colisiones electrón-positrón, que crean otras partículas hechas de quarks. El otro es el QCD basado en red, que sólo se ha vuelto competitivo en la década actual e implica la simulación del proceso teórico en una supercomputadora.

“El principal problema con la predicción del muón g-2 en la actualidad es que el resultado obtenido utilizando datos de colisión electrón-positrón no concuerda con el resultado experimental total, mientras que los resultados basados ​​en QCD reticular sí lo son. Nadie sabía realmente por qué, y nuestro estudio aclara parte de ese enigma”, dijo Boito.

Él y sus colegas llevaron a cabo su investigación precisamente para resolver este problema. “El artículo informa los resultados de una serie de estudios en los que desarrollamos un nuevo método para comparar los resultados de simulaciones QCD de red con resultados basados ​​en datos experimentales. Demostramos que es posible extraer contribuciones de los datos calculados en la red con alta precisión: contribuciones de diagramas de Feynman conectados”, dijo.

El físico teórico estadounidense Richard Feynman (1918-1988) ganó el Premio Nobel de Física en 1965 (junto con Julian Schwinger y Shin'ichiro Tomonaga) por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica y física de partículas elementales. Los diagramas de Feynman, creados en 1948, son representaciones gráficas de expresiones matemáticas que describen la interacción de dichas partículas y se utilizan para simplificar los respectivos cálculos.

“En el estudio obtuvimos por primera vez las contribuciones de los diagramas de Feynman conectados en la llamada “ventana de energía intermedia” con alta precisión. Ahora tenemos ocho resultados para estas contribuciones, obtenidos mediante simulaciones QCD de celosía, y todos coinciden en gran medida. Además, demostramos que los resultados basados ​​en datos de interacción electrón-positrón no concuerdan con estos ocho resultados de las simulaciones”, dijo Boito.

Esto permitió a los investigadores localizar el origen del problema y pensar en posibles soluciones. «Quedó claro que si por alguna razón los datos experimentales del canal de dos piones se subestiman, esta podría ser la causa de la discrepancia», dijo. Los piones son mesones: partículas formadas por un quark y un antiquark producidas en colisiones de alta energía.

De hecho, nuevos datos (aún bajo revisión por pares) del Experimento CMD-3 Un estudio llevado a cabo en la Universidad Estatal de Novosibirsk en Rusia parece mostrar que los datos más antiguos sobre canales de dos piones pueden haber sido subestimados por alguna razón.

Referencia: “Determinación basada en datos del componente conectado al quark ligero de la contribución de la ventana intermedia al muón g-2» por Genessa Benton, Diogo Boito, Maarten Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman y Santiago Peris, 21 de diciembre de 2023, Cartas de examen físico.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

La participación de Boito en el estudio fue parte de su proyecto «Testing the Standard Model: Precision QCD and muon g-2», por el cual la FAPESP le otorgó una Beca para Jóvenes Investigadores Fase 2.