El experimento Muon g-2 de Fermilab ha revelado una nueva medida de precisión de la propiedad magnética del muón, lo que sugiere partículas no descubiertas y un avance potencial en la física. Los resultados preparan el escenario para un enfrentamiento final entre la teoría actual y el experimento en 2025.
Los hallazgos en Fermilab muestran una brecha entre la teoría y el experimento, lo que podría conducir a una nueva física más allá del modelo estándar.
Los físicos ahora tienen una nueva medida de una propiedad del muón llamada momento magnético anómalo que mejora la precisión de su resultado anterior por un factor de 2.
Una colaboración internacional de científicos que trabajan en el experimento Muon g-2 en el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU. anuncio la muy esperada medida actualizada el 10 de agosto. Este nuevo valor refuerza la primer resultado anunciaron en abril de 2021, y plantea un enfrentamiento entre teoría y experiencia a lo largo de 20 años de preparación.
“Realmente estamos explorando nuevos territorios. Estamos determinando el momento magnético del muón con mayor precisión que nunca”, dijo Brendan Casey, científico principal de Fermilab que ha trabajado en el experimento Muon g-2 desde 2008.
El anuncio del 10 de agosto de 2023 es el segundo resultado del experimento Fermilab, dos veces más preciso que el primer resultado anunciado el 7 de abril de 2021. Credit: Ryan Postel, Fermilab
Más allá del modelo estándar
Los físicos describen cómo funciona el universo en su nivel más fundamental con una teoría conocida como el Modelo Estándar. Al hacer predicciones basadas en el modelo estándar y compararlas con los resultados experimentales, los físicos pueden discernir si la teoría está completa o si hay física más allá del modelo estándar.
Los muones son partículas fundamentales similares a los electrones pero unas 200 veces más masivas. Al igual que los electrones, los muones tienen un diminuto imán interno que, en presencia de un campo magnético, precede o se tambalea como el eje de un trompo. La tasa de precesión en un campo magnético dado depende del momento magnético del muón, generalmente representado por la letra gramo; en el nivel más simple, la teoría predice que gramo debe ser igual a 2.
Este video de siete minutos proporciona información adicional sobre los muones y el nuevo resultado de la colaboración Muon g-2.
La importancia de g-2
la diferencia de gramo de 2 – o gramo menos 2: se puede atribuir a las interacciones del muón con partículas en una espuma cuántica que lo rodea. Estas partículas parpadean dentro y fuera de la existencia y, como ‘compañeros de baile’ subatómicos, agarran la ‘mano’ del muón y cambian la forma en que el muón interactúa con el campo magnético. El modelo estándar incorpora todas las partículas conocidas de «pareja de baile» y predice cómo cambia la espuma cuántica gramo. Pero podría haber más. Los físicos están entusiasmados con la posible existencia de partículas aún desconocidas que contribuyen al valor de g-2 – y abriría la puerta a la exploración de nueva física.
Gordan Krnjaic, físico teórico de partículas en Fermilab y el Universidad de Chicago Instituto Kavli de Física Cosmológica, dilo New York Times que si persistía el desacuerdo experimental con la teoría, sería «la primera evidencia convincente de laboratorio de la nueva física». Y esta puede ser la primera vez que rompemos el modelo estándar.
Incertidumbres de medición
El nuevo resultado experimental, basado en los primeros tres años de datos, anunciado por la colaboración Muon g-2 es: g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (est.) +/- 0,00000000019 (sist.)
La medida g-2 corresponde a una precisión de 0,20 partes por millón. La colaboración Muon g-2 describe el resultado en un documento que enviaron a Cartas de exploración física.
Con esta medida, la colaboración ya ha logrado su objetivo de reducir un tipo particular de incertidumbre: la incertidumbre causada por imperfecciones experimentales, denominadas incertidumbres sistemáticas.
Debido a la gran cantidad de datos adicionales incluidos en el anuncio del análisis de 2023, el último resultado de la colaboración Muon g-2 es más del doble de preciso que el primer resultado anunciado en 2021. Crédito: colaboración Muon g-2
«Esta medida es un logro experimental increíble», dijo Peter Winter, co-portavoz de la colaboración Muon g-2. «Reducir la incertidumbre sistemática a este nivel es un gran problema y es algo que no esperábamos lograr tan pronto».
Si bien la incertidumbre sistemática total ya superó el objetivo de diseño, el aspecto más amplio de la incertidumbre, la incertidumbre estadística, está determinado por la cantidad de datos analizados. El resultado anunciado hoy suma dos años más de datos a su primer resultado. El experimento Fermilab alcanzará su máxima incertidumbre estadística una vez que los científicos incorporen los seis años de datos en su análisis, que la colaboración pretende completar en los próximos dos años.
Detalles de la experiencia
Para realizar la medición, la colaboración Muon g-2 envió repetidamente un haz de muones a un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 50 pies de diámetro, donde dieron unas 1000 vueltas a casi la velocidad de la luz. Los detectores alrededor del anillo permitieron a los científicos determinar la tasa de precesión de muones. Los físicos también deben medir con precisión la intensidad del campo magnético para luego determinar el valor de g-2.
El experimento Fermilab reutilizó un anillo de almacenamiento construido originalmente para el experimento Muon g-2 anterior en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE que finalizó en 2001. En 2013, la colaboración transportado el anillo de almacenamiento 3200 millas desde Long Island, Nueva York, hasta Batavia, Illinois. Durante los siguientes cuatro años, la colaboración reunió el experimento con técnicas, instrumentos y simulaciones mejoradas. El objetivo principal del experimento Fermilab es reducir la incertidumbre de g-2 por un factor de cuatro en comparación con el resultado de Brookhaven.
Además del conjunto de datos más grande, esta última medición de g-2 se mejora con las actualizaciones del propio experimento Fermilab.
«Esta puede ser la primera vez que rompemos el patrón estándar».
— Gordan Krnjaic, Fermilab y científico de UCChicago
Conclusión: el futuro de la experiencia
«Nuestra nueva medición es muy emocionante porque nos lleva mucho más allá de la sensibilidad de Brookhaven», dijo Graziano Venanzoni, profesor de la Universidad de Liverpool afiliado al Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear en Pisa y coautor del Muon. experimento g-2. en Fermilab.
Además del conjunto de datos más grande, esta última medición de g-2 se mejora con las actualizaciones del propio experimento Fermilab. “Mejoramos muchas cosas entre nuestro primer año de recopilación de datos y nuestro segundo y tercer año”, dijo Casey, quien recientemente completó su mandato como co-portavoz de Venanzoni. «Estamos constantemente mejorando la experiencia».
El experimento «realmente funcionó a toda máquina» durante los últimos tres años de recopilación de datos, que finalizaron el 9 de julio de 2023. Fue entonces cuando la colaboración cerró el haz de muones, concluyendo el experimento después de seis años de recopilación de datos. . Lograron el objetivo de recopilar un conjunto de datos 21 veces más grande que el conjunto de datos de Brookhaven.
Los físicos pueden calcular los efectos de los conocidos «compañeros de baile» del modelo estándar en el muón g-2 con una precisión increíble. Los cálculos tienen en cuenta las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte, incluidos fotones, electrones, quarks, gluones, neutrinos, bosones W y Z y el bosón de Higgs. Si el modelo estándar es correcto, esta predicción ultraprecisa debería coincidir con la medición experimental.
Calcular la predicción del modelo estándar para el muón g-2 es muy difícil. En 2020, la Iniciativa de Teoría Muon g-2 anuncio el mejor Predicción del modelo estándar para el muón g-2 disponible en ese momento. Pero una nueva medición experimental de los datos que impulsan la predicción y un nuevo cálculo basado en un enfoque teórico diferente, la teoría del calibre de celosía, están en tensión con el cálculo de 2020. Los científicos de la iniciativa Muon g-2 Theory pretenden tener una nueva predicción mejorada disponible en los próximos dos años que considera ambos enfoques teóricos.
La colaboración Muon g-2 incluye a casi 200 científicos de 33 instituciones en siete países y hasta el momento tiene cerca de 40 estudiantes que han recibido sus doctorados en base a su trabajo en el experimento. Los colaboradores ahora pasarán los próximos dos años analizando los últimos tres años de datos. “Esperamos otro factor de precisión de dos al final”, dijo Venanzoni.
La colaboración planea publicar su medición final y más precisa del momento magnético del muón en 2025, estableciendo el enfrentamiento definitivo entre la teoría y el experimento del Modelo Estándar. Hasta entonces, los físicos tienen una medición nueva y mejorada del muón g-2 que es un paso importante hacia su objetivo físico final.
La colaboración Muon g-2 presentó este articulo cientifico para publicación.
El experimento Muon g-2 cuenta con el apoyo del Departamento de Energía (Estados Unidos); Fundación Nacional de Ciencias (EE.UU.); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia); Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (Reino Unido); Sociedad Real (Reino Unido); Unión Europea Horizonte 2020; Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China; MSIP, NRF e IBS-R017-D1 (República de Corea); y la Fundación Alemana de Investigación (DFG).
El mes de octubre ha comenzado con buen pie: el sol ha provocado una enorme llamarada solar de clase X, la “más poderosa de su tipo” según Space.com – que tiene el potencial de golpear nuestro planeta con una poderosa tormenta geomagnética esta semana.
La explosión solar sobrealimentada surgió de la mancha solar AR3842 el martes por la noche.
Alcanzó una magnitud X7,1, lo que lo convierte en el segundo más poderoso de los últimos siete años después del monstruo de magnitud X8,7 de mayo. Live Science informó.
El sol desató una enorme llamarada solar de clase X el martes por la noche, la más poderosa que puede generar, que podría golpear nuestro planeta con una poderosa tormenta geomagnética este fin de semana. NASA/SDO Una fotografía de la llamarada solar que emerge de la mancha solar AR3842 el 1 de octubre. NASA/SDO
También desencadenó una eyección de masa coronal (CME), cuando plasma y partículas magnéticas brotan de la superficie del sol, que se espera que golpee la Tierra el viernes alrededor de las 4 p.m. según Spaceweather.com.
Cuando esto suceda, los meteorólogos predicen que entrará en el campo magnético de la Tierra, provocando una fuerte «tormenta geomagnética de clase G3», la tercera categoría más poderosa. después del G4 y el G5.
Estos fenómenos pueden potencialmente afectar los sistemas de navegación, las redes eléctricas e incluso las comunicaciones por satélite, informó Space.com.
También energizan la aurora boreal, lo que a menudo lleva a que estos espectáculos de luz natural se vean mucho más al sur de lo habitual.
La llamarada fue una de las dos provocadas por la mancha solar AR3842 disparada esta semana.
La otra fue una llamarada de clase M, la segunda clase más poderosa, el lunes por la noche.
Las consecuencias de esta explosión provocaron un apagón temporal de la radio en grandes zonas del Océano Pacífico, incluido Hawaii.
Afortunadamente, los meteorólogos del Centro de Predicción del Clima Espacial de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. no mencionaron ninguna CME con destino a la Tierra que haya sido generada por dicha erupción, informó Space.com.
Hay una clase de objetos que viajan alrededor de nuestro sistema solar llamados «centauros». No se acercan a la Tierra, pero la NASA acaba de acercar uno de ellos con el poderoso telescopio espacial James Webb.
Se cree que los centauros son objetos helados que se originan en las afueras del sistema solar, donde vive Plutón, pero se han desplazado hacia el interior y ahora habitan los reinos entre Júpiter y Neptuno. Siguen siendo en gran medida un misterio, pero utilizando un instrumento Webb (un espectrógrafo) capaz de identificar la composición de mundos distantes, los científicos han inspeccionado de cerca Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1, un objeto conocido por emitir chorros de gas.
«Webb realmente abrió la puerta a una resolución y sensibilidad que nos impresionaron: cuando vimos los datos por primera vez, nos emocionamos. Nunca habíamos visto algo así», dijo la investigadora de Goddard Sara Faggi del vuelo espacial de la NASA. Centro que lideró la investigacióndijo en un comunicado de la agencia.
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Podríamos neutralizar un asteroide entrante. Los científicos acaban de demostrarlo.
Si bien el objeto está demasiado distante y demasiado pequeño para obtener una imagen vívida (como la visión de Webb de un vasto mundo como Neptuno), el espectrógrafo de Webb reveló nuevos chorros de gas disparados desde el centauro. Dos de los jets recién descubiertos disparan CO2 (dióxido de carbono) al espacio y otro dispara CO (monóxido de carbono). Los investigadores buscaron agua en estas columnas, pero no detectaron ninguna.
El siguiente gráfico muestra la abundancia de elementos en los chorros observados por Webb (izquierda) y la construcción 3D de la NASA de cómo podría verse Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1 (derecha).
Izquierda: La abundancia de elementos en los chorros observados por el telescopio Webb. Derecha: construcción 3D de la NASA de cómo podría verse Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1. Crédito: NASA / ESA / CSA / L. Hustak (STScI) / S. Faggi (NASA-GSFC / American University)
Ilustración artística del telescopio espacial James Webb observando el cosmos desde una órbita a 1 millón de kilómetros de la Tierra. Crédito: GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutiérrez
Como muestran las reconstrucciones anteriores, Centaur 29P podría estar formado por dos objetos pegados durante mucho tiempo (los asteroides y otros objetos del espacio profundo tienden a hacer esto). Esto podría explicar las diferencias en las abundancias de CO2 y CO del objeto.
Pero la causa de estas explosiones de gas sigue siendo un misterio. Los cometas, que son “bolas de nieve sucias” hechas de hielo, rocas y polvo, liberan gases y vapor de agua a medida que se acercan al sol. Pero en los gélidos reinos del sistema solar exterior, hace demasiado frío para que el hielo de centauro se sublime rápidamente o cambie abruptamente de sólido a gas.
Velocidad aplastable de la luz
Para comprender lo que está sucediendo en estos lugares distantes, que son restos perfectamente conservados de nuestro sistema solar temprano y pueden ayudarnos a comprender nuestra evolución planetaria, los científicos necesitarán acercarse nuevamente a Centauro 29P.
«Sólo tuvimos tiempo de mirar este objeto una vez, como una instantánea en el tiempo», dijo Adam McKay, astrónomo y coautor del estudio en la Universidad Estatal de los Apalaches. “Observar estos aviones a lo largo del tiempo nos daría una idea mucho mejor de qué está provocando estas explosiones”, añadió.
Las poderosas capacidades del telescopio Webb
El Telescopio Webb, una colaboración científica entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense, está diseñado para observar las profundidades del cosmos y revelar nueva información sobre el universo primitivo. Pero también analiza planetas intrigantes de nuestra galaxia, así como planetas y lunas de nuestro sistema solar.
Así es como Webb logra hazañas sin precedentes, y probablemente lo hará durante décadas:
– Espejo gigante: El luminoso espejo de Webb mide más de 21 pies de diámetro. Es más de dos veces y media más grande que el espejo del Telescopio Espacial Hubble. Captar más luz le permite a Webb ver objetos más antiguos y distantes. El telescopio observa estrellas y galaxias que se formaron hace más de 13 mil millones de años, apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang. “Vamos a ver las primeras estrellas y galaxias jamás formadas”, dijo a Mashable en 2021 Jean Creighton, astrónomo y director del Planetario Manfred Olson de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee.
– Vista infrarroja: A diferencia del Hubble, que observa en gran medida la luz visible para nosotros, Webb es principalmente un telescopio infrarrojo, lo que significa que observa la luz en el espectro infrarrojo. Esto nos permite ver mucho más del universo. El infrarrojo tiene más tiempo longitudes de onda que la luz visible, por lo que las ondas de luz se deslizan más eficientemente a través de las nubes cósmicas; la luz no choca con tanta frecuencia y no es dispersada por estas partículas densamente empaquetadas. En última instancia, la visión infrarroja de Webb puede penetrar lugares donde el Hubble no puede.
“Esto levanta el velo”, dijo Creighton.
– Observar exoplanetas distantes: El telescopio Webb Lleva equipos especializados llamados espectrógrafos. que revolucionará nuestra comprensión de estos mundos distantes. Los instrumentos pueden descifrar qué moléculas (como agua, dióxido de carbono y metano) existen en las atmósferas de exoplanetas distantes, ya sean gigantes gaseosos o mundos rocosos más pequeños. Webb estudia exoplanetas en la Vía Láctea. ¿Quién sabe qué encontraremos?
«Podríamos aprender cosas en las que nunca pensamos», dijo Mercedes López-Morales, investigadora de exoplanetas y astrofísica de la Centro Harvard y Smithsonian de Astrofísicadijo Mashable en 2021.
Los astrónomos ya han descubierto intrigantes reacciones químicas en un planeta a 700 años luz de distancia y han comenzado a observar uno de los lugares más esperados del cosmos: los planetas rocosos del tamaño de la Tierra del sistema solar TRAPPISTA.
El sol dio la bienvenida a octubre con estilo, provocando dos potentes brotes en poco más de 24 horas.
El más reciente de los dos fue un llamarada solarel más poderoso de su tipo – y era un poderoso escala de clasificación de llamaradas. Esto alcanzó su punto máximo el martes 1 de octubre a las 6:20 p. m. EDT (22:20 p. m. GMT).
De acuerdo a Clima espacial.comesta erupción fue una de las más grandes del actual ciclo solar 25, ubicándose en segundo lugar detrás de la erupción masiva de X8.7 el 14 de mayo. (Actividad de el sol aumenta y disminuye en un ciclo de 11 años.) Una pérdida parcial o completa de las señales de radio de alta frecuencia (HF) es probablemente el resultado de la explosión en las partes iluminadas por el sol de la Tierra. Esto incluiría partes del hemisferio occidental, el océano Pacífico, Australia y la región de Asia y el Pacífico.
La nave espacial Observatorio de Dinámica Solar de la NASA capturó esta vista de una erupción solar X7.1 que entró en erupción el 1 de octubre de 2024. (Crédito de la imagen: NASA/SDO y los equipos científicos AIA, EVE y HMI, helioviewer.org)
A eyección de masa coronal (CME), una erupción masiva de plasma solar, se ha asociado con la llamarada X7.1, informó Spaceweather.com. La CME se dirigía hacia la Tierra y se espera que golpee nuestro planeta el viernes (4 de octubre), probablemente generando una fuerte tormenta geomagnética que podría sobrecargarse. amanecer póster.
Cuando se producen estas tormentas, el campo magnético de la Tierra sufre una alteración que puede afectar no sólo a las auroras boreales, sino también a los sistemas de navegación, las redes eléctricas e incluso las comunicaciones por satélite. Cuanto más poderosa es la tormenta, más el número en la escala de tormentas geomagnéticasy más dramáticos serán los efectos.
La erupción del martes surgió de mancha solar AR3842. El lunes 30 de septiembre, la misma mancha solar despegó de una llamarada M7.6. Las bengalas de clase M son las segundas más potentes detrás de las X, que son 10 veces más potentes. La erupción ocurrió a las 7:59 p.m.EDT (2359 GMT) y provocó un apagón de radio de onda corta en partes del Océano Pacífico.
