El baile de los muones: Fuerzas desconocidas dominan el mundo subatómico

El extraño comportamiento del muon muestra la existencia de partículas exóticas y fuerzas que no encajan en el modelo estándar de la física.

Los muones se comportan de una manera extraña. Este comienzo podría servir para casi cualquier partícula subatómica. Todo a nivel subatómico es raro, raro, raro. Pero el modelo estándar de la física puede encajarlo. Sin embargo, el muon acaba de poner patas arriba ese modelo que sirve de biblia a los físicos, o, desde una mirada más positiva, acaba de abrir más puertas al ignoto universo de las partículas subatómicas.

Estos días la partícula en alza es el muon. Un nuevo experimento ha confirmado su extraño comportamiento, que solo puede explicarse si existen partículas “virtuales”, efímeras, muy efímeras, que aparecen y desaparecen casi al mismo tiempo, y que, al aparecer, afectan a los muones, podríamos decir que les “empujan”, y son la causa de su extraño comportamiento. Así, nuevas fuerzas desconocidas pueden estar dominando el mundo subatómico.

Esas partículas, además, proceden (avisamos que esto es simplificar mucho), del momento exacto en que materia y antimateria se junta y todo se desintegra.

Esto quiere decir que a esa escala en la que una hormiga es un gigante, podría haber muchas otras partículas y fuerzas extravagantes de las que los físicos no tenían noticias. Ni siquiera el CERN, quo ese coloso subterráneo que se dedica a reventar átomos en busca de lo más mínimo, pues ni siquiera el CERN las ha olido.

En nuestros días, los observadores de las partículas subatómicas son algo así como cuando Galileo pidió que el mundo se acercara a sus telescopios. Galileo había encontrado una lente para observar el universo que en su tiempo no eran capaces de entender. Hoy, las lentes que apuntan a lo mínimo son sofisticados instrumentos tecnológicos que empiezan a dar noticias de que el mundo pequeño es  mucho más marciano que Marte.

¿Qué pasa con el muon?

El muon es una partícula elemental, esto significa que no se descompone en otras partículas. Se encuentra en los rayos cósmicos, y nos atraviesan permanentemente (radiación cósmica) sin que las notemos. Su existencia es muy efímera (2,2 microsegundos). Es decir, nada, o casi nada.

La masa del muon es muy pequeña, pero casi 200 veces mayor que la del electrón: 0,106 GeV.

El extraño comportamiento del muon, dicen los expertos, muestra la existencia de partículas exóticas y fuerzas más allá del modelo estándar de la física.

Han tenido signos de esta anomalía antes, pero un nuevo conjunto de medidas ha aumentado la probabilidad de que sea real. Veamos la rareza del muon:

Los muones son partículas cargadas eléctricamente, por lo que cuando se colocan en un campo magnético, comienzan a girar. Los físicos pueden medir la frecuencia de ese giro debido a un fenómeno llamado precesión, en el que el eje de giro de la partícula se tambalea ligeramente, lo que les permite hacer lo que ellos llaman un diagrama de meneo.

El extraño baile de los muones

La frecuencia a la que gira un muon, su formada de bailar cuando se expone a un campo magnético, está determinada por sus interacciones con otras partículas y fuerzas, representadas por un número llamado factor g.

Utilizando el modelo estándar de física de partículas, los investigadores pueden predecir cuál debería ser este número con extrema precisión. Sin embargo, el número no coincide con lo que observan.

En 2006, los resultados experimentales del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York comenzaron a diferir de esas predicciones teóricas: los muones giraban un poco más rápido de lo que deberían.

Los resultados no fueron estadísticamente lo suficientemente significativos como para demostrar que el modelo estándar era incorrecto, así que había que repetir el experimento.

Fermilab confirma la rareza

Ahora, un nuevo conjunto de experimentos en Fermilab en Illinois ha corroborado las preocupaciones sacadas a la luz por esos resultados pasados. “Podríamos haber cometido un error en Brookhaven, pero luego Fermilab, que tiene una configuración mucho más sofisticada, podría haber obtenido una respuesta diferente, y no fue así”, dice William Morse del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Las partículas virtuales

Esta anomalía probablemente surge de un fenómeno mecánico cuántico llamado partículas virtuales. Se trata de pares que consisten en una partícula y su contraparte de antimateria, que surgen debido a fluctuaciones cuánticas, antes de desaparecer de nuevo momentos después. Si bien existen brevemente, pueden afectar el comportamiento de partículas reales, como los muones.

“No son solo las partículas conocidas las que aparecen y desaparecen, sino también las que aún no se han descubierto”

Debido a que estos pares virtuales son aleatorios y provienen del propio espacio-tiempo, pueden ser cualquier tipo de partícula. Algunos pueden ser las que ya conocemos, por ejemplo, un electrón y su compañero de antimateria, un positrón, pero algunas pueden ser algo más exóticas. “No son solo las partículas conocidas las que aparecen y desaparecen, sino también las que aún no se han descubierto”, dice Joe Price de la Universidad de Liverpool, Reino Unido, que forma parte del equipo de Fermilab.

Sin embargo, los modelos que usamos para predecir el factor g del muon solo incluyen los efectos esperados de las partículas virtuales conocidas, por lo que si nuestros experimentos entran en conflicto con esos modelos, apunta a la posibilidad de que existan otras partículas más allá del modelo estándar y fuerzas extrañas que gobiernen esos modelos.

Los resultados del Fermilab se producen inmediatamente después de un anuncio de que los físicos del Gran Colisionador de Hadrones del Laboratorio de Física de Partículas del CERN, cerca de Ginebra, Suiza, han encontrado algo extraño en la forma en que se descomponen los muones. Price dice que los dos pueden estar relacionados. «Tal vez sea la misma física desde un ángulo diferente, o tal vez sea una física diferente».

Al igual que las mediciones del CERN, no hay suficientes datos para demostrar que debe haber nuevas partículas y fuerzas más allá del modelo estándar. Sin embargo, los investigadores de Fermilab solo han evaluado aproximadamente una décima parte de los datos de sus experimentos hasta ahora y continúan recogiendo más, por lo que Price dice que deberían poder decir pronto si esta anomalía es realmente causada por partículas exóticas o es solo un producto de incertidumbre estadística. Esas mediciones adicionales también pueden ayudarnos a delimitar qué tipo de partículas exóticas podrían existir.

Referencia de la revista: Physical Review Letters , DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.141801

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