Física

El muón cuestiona las leyes de la física

Dos experimentos en Europa y EE UU observan que las partículas de la familia del electrón no se comportan como deberían según la teoría vigente

Un operario en el experimento LHCb.
Un operario en el experimento LHCb.CERN

Dos experimentos de alta precisión en Europa y EE UU acaban de detectar indicios de partículas o fuerzas de la física totalmente desconocidas. Si estas anomalías se confirman sería un descubrimiento histórico que se ha buscado desde hace más de medio siglo.

Hace unos días, los responsables del experimento g-2 en el laboratorio Fermilab de EE UU anunciaron que tras años de experimentos han detectado una anomalía en el comportamiento del muón, una partícula elemental de carga negativa parecida al electrón pero con 200 veces más masa. La anomalía observada coincide con la que ya destapó este mismo experimento hace 15 años. La discordancia entre la teoría y la realidad experimental sigue ahí y ahora tiene una mayor fiabilidad estadística, lo que puede significar que este experimento ha atisbado fenómenos físicos que las teorías actuales no pueden explicar.

“Es un resultado muy importante; en estos momentos hay muchísima emoción por intentar explicar qué está pasando”, explica Pere Masjuan, físico teórico del Instituto de Física de Altas Energías, en Barcelona, y miembro de la colaboración internacional que ha calculado con el máximo detalle posible los valores teóricos.

Los experimentos como g-2 exploran el territorio de las diminutas partículas elementales —quarks, bosones, leptones—. Estos son los componentes más pequeños e indivisibles de la materia, las piezas básicas de los átomos que componen toda la materia que los humanos podemos ver y tocar.

El g-2 lanza haces de muones que circulan en el vacío por un anillo circular a casi la velocidad de la luz. El vacío nunca está vacío en realidad, sino poblado de partículas virtuales, desconocidas, que pueden interactuar con el muón e influir en su comportamiento sin que nadie las vea.

“Hay muchísima emoción por intentar explicar qué está pasando”
Pere Masjuan, físico teórico

El experimento estadounidense mide una propiedad del muón llamada momento magnético que se deriva de sus propiedades cuánticas y que se manifiesta como un cambio de su rotación cuando atraviesa un campo magnético. Estas propiedades “reales” se comparan con las que predice el modelo estándar, el conjunto de ecuaciones formulado hace 50 años que hasta hoy ha descrito a la perfección el comportamiento de las partículas elementales. El gran problema de la física es que esta materia convencional solo supone el 5% del universo. El resto son materia oscura y energía oscura gobernada por partículas y fuerzas que el modelo estándar no puede explicar y que tal vez son las causantes de las extrañas anomalías observadas.

El experimento estadounidense ha detectado una divergencia de una milmillonésima —nueve decimales— entre el valor real del momento magnético del muón y el teórico. “Es una diferencia demasiado grande”, reconoce Masjuan. “Una divergencia como esta rompe las reglas de juego, las leyes que dominan la naturaleza”, resalta. Por ejemplo, el momento magnético del electrón coincide con su valor teórico con una precisión 1.000 veces mayor.

EE UU y Europa compiten por ser los primeros en descubrir nueva física

El nivel de fiabilidad del resultado estadounidense es de 4,2 sigma —hay solo una posibilidad entre 40.000 de que el resultado sea una casualidad—. En física de partículas esto equivale a “indicios” de nueva física. Un descubrimiento requiere cinco sigma, o una posibilidad entre un millón de que el resultado sea pura casualidad estadística.

El mismo día que los americanos presentaron sus resultados, otro equipo anunció un nuevo cálculo del valor teórico usando una técnica alternativa. Los resultados, publicados en Nature, coinciden con lo observado en el acelerador del Fermilab. “En este momento los teóricos debemos unirnos para reanalizar nuestro propio dato”, reconoce Masjuan.

Esta carrera es también una batalla geoestratégica en términos científicos entre EE UU y Europa por ser los primeros en descubrir nueva física. El experimento estadounidense ha acumulado apenas el 6% de todos los datos que puede reunir. En unos cuatro años es posible que alcancen los cinco sigmas.

El experimento g-2 durante su traslado a la sede del Fermilab en 2013.
El experimento g-2 durante su traslado a la sede del Fermilab en 2013.Fermilab

Unas semanas antes de que se anunciasen los resultados del g-2, otro experimento en el laboratorio europeo de física de partículas CERN, en Ginebra, desveló otro tipo de anomalía que también tiene que ver con los muones. Los responsables del experimento LHCb instalado en el acelerador de partículas más potente del mundo se encargan de estudiar las desintegraciones de estas y otras partículas para comprobar si coinciden con las que predice la teoría. El cociente entre las desintegraciones de electrones y muones debería ser siempre 1, pero el experimento muestra un valor de 0,84, lo que indica que también aquí puede haber partículas o fuerzas ocultas influyendo en el resultado.

En este caso se ha alcanzado una fiabilidad de tres sigmas, una posibilidad entre mil de que sea una casualidad. Lo más importante es que desde hace años este experimento lleva viendo anomalías similares con otras desintegraciones. “Hemos llegado a un momento en el que ya no vemos árboles aislados, sino un bosque de desviaciones y todas ellas son coherentes con la posibilidad de nueva física”, explica Joaquim Matías, catedrático de la Universidad Autónoma de Barcelona que lleva años trabajando con los resultados de este experimento. “El anuncio de los resultados de g-2 me pareció un poco exagerado porque las divergencias aún podrían desaparecer, pero sobre todo porque aún hay discusión sobre los cálculos teóricos”, señala.

Aquí entra en juego la necesidad de los científicos de conseguir subvenciones millonarias de sus gobiernos para poder seguir en marcha con sus experimentos. En un EE UU sumido en la era Trump hasta hace tan solo unos meses, el anuncio del g-2 era clave. “Estamos viendo una pugna entre la ciencia y el Gobierno”, opina Pere Masjuan. “Para los americanos era muy importante sacar un resultado potente que justificase la inversión”, añade.

Los resultados de los dos experimentos han hecho volar la imaginación de los físicos de todo el mundo, que se han apresurado a buscar qué partículas desconocidas pueden estar causando estas anomalías. Una de las posibles explicaciones es la existencia de leptoquarks, partículas que hasta ahora solo existen en la teoría. Serían no una, sino varias partículas diferentes que se relacionarían con las ya descritas por el modelo estándar y que podrían explicar las observaciones experimentales. “Todos los físicos sabemos que tiene que haber una teoría física superior al modelo estándar. Podemos estar viendo la punta del iceberg, el comienzo de toda una teoría más allá de la que conocemos”, resume Matías.

Otros físicos independientes piden cautela. “Hay que ser prudentes hasta que se pueda clamar un descubrimiento”, opina Alberto Ruíz-Jimeno, del Instituto de Física de Cantabria y veterano investigador del Fermilab y el CERN. Toni Pich, del Instituto de Física Corpuscular de Valencia, recuerda que ambos experimentos no van a dejar de acumular datos. “Esperamos tener nuevos resultados teóricos en los próximos meses”, explica. “Hay que esperar un poco más antes de lanzar las campanas al vuelo, pero, en cualquier caso, es un resultado muy importante”, añade. Luis Álvarez-Gaumé, otro veterano físico del CERN que ahora trabaja en la Universidad Stony Brook de Nueva York, incide en la carrera política por los fondos. “Los resultados del LHCb en Europa tienen mayores posibilidades de convertirse en algo real, mientras que g-2 tiene que esperar, a pesar de toda la propaganda de EE UU”, resalta.

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