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 la experiencia en 2025.

Los hallazgos de Fermilab muestran una discrepancia entre la teoría y el experimento, lo que podría conducir a una nueva física más allá del modelo estándar.

Los físicos ahora tienen una medida completamente nueva 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. Anunciado la medida tan esperada actualizada el 10 de agosto. Este nuevo valor refuerza la primer resultado lo anunciaron en abril de 2021 y establecieron un choque entre la teoría y el experimento durante 20 años.

“Realmente estamos explorando nuevos territorios. Estamos determinando el momento magnético del muon con una precisión nunca antes vista», dijo Brendan Casey, científico senior de Fermilab que ha estado trabajando en el experimento Muon g-2 desde 2008.

El anuncio del 10 de agosto de 2023 es el segundo resultado del experimento en Fermilab, que es 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, conduce u oscila como el eje de un trompo. La velocidad de precesión en un campo magnético dado depende del momento magnético del muón, típicamente 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 las partículas en una espuma cuántica envolvente. Estas partículas van y vienen 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 todos los «compañeros de baile» de partículas conocidos y predice cómo cambia la espuma cuántica. gramo. Pero puede haber más. Los físicos están entusiasmados con la posible existencia de partículas aún no descubiertas que contribuyen al valor de g-2 – y abriría la ventana para explorar nueva física.

Gordan Krnjaic, físico teórico de partículas en Fermilab y el Universidad de Chicago Instituto Kavli de Física Cosmológica, dijo al New York Times que si persistía el desacuerdo experimental con la teoría, sería “la primera evidencia humeante de laboratorio de la nueva física. Y es muy posible que sea la primera vez que rompemos el modelo estándar».

Incertidumbres en la 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 (estadístico) +/- 0,00000000019 (sistema)

La medida de 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 revisión física.

Con esta medida, la colaboración ya logró su objetivo de disminuir un tipo particular de incertidumbre: la incertidumbre causada por imperfecciones experimentales, conocidas como incertidumbres sistemáticas.

Debido a la gran cantidad de datos adicionales que se incluirán 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 del proyecto, el mayor aspecto de la incertidumbre, la incertidumbre estadística, se debe a la cantidad de datos analizados. El resultado anunciado hoy suma otros dos años de datos al primer resultado. El experimento Fermilab alcanzará su máxima incertidumbre estadística una vez que los científicos incorporen los datos de los seis años en sus 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 15 metros de diámetro, donde circularon unas 1000 veces a casi la velocidad de la luz. Los detectores que recubren el anillo permitieron a los científicos determinar la velocidad de precesión de los muones. Los físicos también deben medir con precisión la fuerza del campo magnético para determinar el valor de g-2.

El experimento Fermilab reutilizó un anillo de almacenamiento construido originalmente para el experimento predecesor Muon g-2 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, completado en 2001. En 2013, la colaboración transportado el anillo de almacenamiento tiene 3200 millas desde Long Island, Nueva York hasta Batavia, Illinois. Durante los próximos cuatro años, la colaboración estableció el experimento con técnicas, instrumentación y simulaciones mejoradas. El objetivo principal del experimento Fermilab es reducir la incertidumbre 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 ve mejorada por las actualizaciones del propio experimento de Fermilab.

«Tal vez esta es la primera vez que rompemos el modelo estándar».

— Gordan Krnjaic, científico de Fermilab y UChicago

Conclusión: Futuro del Experimento

«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, Pisa, y co-portavoz de Muon g. – 2 en Fermilab.

Además del conjunto de datos más grande, esta última medición de g-2 se ve mejorada por las actualizaciones del propio experimento de Fermilab. “Hemos mejorado muchas cosas entre nuestro primer año de recopilación de datos y nuestro segundo y tercer año”, dijo Casey, quien recientemente finalizó su mandato como co-portavoz de Venanzoni. “Estábamos constantemente mejorando el experimento”.

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 apagó el haz de muones, concluyendo el experimento después de seis años de recopilación de datos. . Lograron su objetivo de recopilar un conjunto de datos que era más de 21 veces el tamaño del conjunto de datos de Brookhaven.

Los físicos pueden calcular los efectos de los llamados «compañeros de baile» del modelo estándar en el muon g-2 con una precisión increíble. Los cálculos consideran las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte, incluyendo 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 complicado. En 2020, la Iniciativa de Teoría Muon g-2 Anunciado Lo mejor Predicción del modelo estándar para muon g-2 disponible en ese momento. Pero una nueva medición experimental de los datos que alimentan la predicción y un nuevo cálculo basado en un enfoque teórico diferente, la teoría del medidor de red, están en tensión con el cálculo de 2020. nuevo, predicción mejorada disponible en los próximos años que considere ambos enfoques teóricos.

La colaboración Muon g-2 comprende alrededor de 200 científicos de 33 instituciones en siete países e incluye hasta ahora a casi 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 dos en precisión cuando hayamos terminado”, dijo Venanzoni.

La colaboración ve el lanzamiento de 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. Para entonces, los físicos tendrán una medición nueva y mejorada del muón g-2, que es un paso significativo hacia su objetivo físico final.

La colaboración Muon g-2 presentó este papel cientifico para publicación.

Aquí está la grabación del seminario científico celebrada el 10 de agosto de 2023.

El experimento Muon g-2 cuenta con el apoyo del Departamento de Energía (EE. UU.); Fundación Nacional de Ciencias (EE.UU.); Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia); Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (Reino Unido); Sociedad Real (Reino Unido); Horizonte 2020 de la Unión Europea; Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China; MSIP, NRF e IBS-R017-D1 (República de Corea); y la Fundación Alemana de Investigación (DFG).