Los investigadores identificaron la fuente de las discrepancias en las predicciones recientes del momento magnético del muón. Sus descubrimientos podrían contribuir a la investigación 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 magnitudes fundamentales de la física. Existe una diferencia entre el valor teórico del momento magnético de un muón, partícula que pertenece a la misma clase que el electrón, y los valores obtenidos en experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas.

La diferencia sólo aparece en el octavo decimal, pero los científicos han estado intrigados por ella desde que fue descubierta 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 No. Se sabe si hay fuerzas involucradas en el proceso.

Discrepancias en el momento magnético de Muon

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 hay mucho 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.

«La determinación precisa del momento magnético del muón se ha convertido en una cuestión fundamental en la física de partículas porque investigar esta brecha entre los datos experimentales y la predicción teórica puede proporcionar información que podría conducir al descubrimiento de algún efecto nuevo y espectacular», afirmó el físico Diogo Boito. dijo a Agência FAPESP, profesor del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP).

Se publica en la revista artículo sobre el tema de Boito y colaboradores Cartas de revisión física.

Nuevas ideas de investigación

“Nuestros resultados fueron presentados en dos importantes eventos internacionales. Primero por mí durante 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 y señalan 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 muy diferentes, lo cual es un gran problema. Hasta que esto no se resuelva, no podemos investigar las contribuciones de posibles partículas exóticas, como los nuevos bosones de Higgs o la materia oscura, por ejemplo, a g-2”, explicó.

El estudio logró explicar la discrepancia, pero para entenderla es necesario retroceder unos pasos y empezar de nuevo con una descripción un poco más detallada del muón.

El anillo de almacenamiento de muones en Fermilab. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

El muón es una partícula que pertenece a la clase de los leptones, al igual que el electrón, pero tiene una masa mucho mayor. Por esta razón, es inestable y sólo sobrevive durante un período muy corto 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, bosones de Higgs y fotones. Por lo tanto, en los experimentos, los muones siempre van acompañados de muchas otras partículas virtuales. Sus contribuciones hacen que el momento magnético real medido en experimentos 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 previstas 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 varias de estas contribuciones, pero no todas”, dijo Boito.

Los fuertes efectos de interacción de la QCD no pueden calcularse teóricamente únicamente, ya que en algunos regímenes energéticos no son prácticos, por lo que existen dos posibilidades. Uno de ellos se utiliza desde hace algún tiempo e implica el uso de datos experimentales obtenidos de colisiones entre electrones y positrones, que crean otras partículas formadas por quarks. El otro es el QCD en red, que sólo se ha vuelto competitivo en la década actual y consiste en simular el proceso teórico en una supercomputadora.

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

Él y sus colegas llevaron a cabo su investigación para resolver exactamente este problema. “El artículo informa los hallazgos de una serie de estudios en los que desarrollamos un nuevo método para comparar los resultados de simulaciones QCD de celosía con resultados basados ​​en datos experimentales. Hemos demostrado que es posible extraer de los datos contribuciones calculadas en la red con gran precisión: las contribuciones de los llamados diagramas de Feynman conectados”, afirmó.

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 gran precisión. Hoy tenemos ocho resultados para estas contribuciones, obtenidos mediante simulaciones QCD reticulares, y todos coinciden significativamente. Además, demostramos que los resultados basados ​​en datos de interacción electrón-positrón no concuerdan con estos ocho resultados de simulación”, dijo Boito.

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

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

Referencia: “Determinación basada en datos de componentes conectados de Light-Quark 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 revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

La participación de Boito en el estudio formó parte del proyecto “Testing the standard model: Precision QCD and g-2 muon”, para el cual la FAPESP le otorgó una Beca para Jóvenes Investigadores Fase 2.