¡Las nubes oscuras de la física reaparecen! En dos semanas, el modelo estándar vuelve a ser atacado
Cuando cientos de físicos discutieron los resultados de sus experimentos en una reunión de Zoom a finales de febrero, nadie sabía exactamente qué habían descubierto. Al igual que los médicos en los ensayos clínicos, los investigadores del experimento Myozi g-2 quedaron desconcertados por sus datos. Durante años, variables ocultas les han impedido comprender lo que significa todo esto.
Pero cuando los datos fueron revelados en una reunión de Zoom, los físicos se dieron cuenta de que la espera había valido la pena: sus resultados solidificaron aún más la existencia de la "nueva física" en la evidencia de muones (?sub). Rebecca Chislett, física del University College de Londres y miembro de la Colaboración Muzi G-2, dijo: "En este momento, estamos viendo los resultados, pero aún no sabemos qué significan. Es emocionante. , es tenso, pero también es al menos un alivio."
A pesar del notable éxito del Modelo Estándar al explicar las partículas fundamentales y las interacciones fundamentales que componen el universo, su descripción aún es muy incompleta. Por un lado, el Modelo Estándar no explica la gravedad; por otro, guarda silencio sobre cuestiones como la materia oscura, la energía oscura y la masa de los neutrinos. Para explicar estos fenómenos, los investigadores han estado buscando nueva física, física más allá del modelo estándar a través de desviaciones de los resultados experimentales y las predicciones teóricas.
Mutón g-2 es un experimento realizado por el Laboratorio Nacional Fermi de Estados Unidos que tiene como objetivo determinar con precisión el momento magnético del muón midiendo con precisión su oscilación en el campo magnético. Si los valores experimentales de los momentos magnéticos de estas partículas son diferentes de los predichos por la teoría, la desviación puede ser un signo de la existencia de nueva física, como algunas partículas diminutas y desconocidas o fuerzas que afectan a las partículas. Según los informes de la Colaboración Myozi G-2 en tres artículos de "Physical Review Letters", la precisión de los datos publicados esta vez ha alcanzado un nivel sin precedentes de 0,35 ppm (ppm significa una parte por millón), y con esta precisión, el último Los datos de ?zi son ligeramente diferentes de la predicción teórica (0,00000000251) y el nivel de confianza es 4,2σ. Si alcanza 5σ, los físicos pueden afirmar que algo anda mal. Ahora bien, este valor, que se acerca a 5σ, pero no lo alcanza, también hace que muchos físicos se sientan optimistas sobre la existencia de nueva física.
Por supuesto, no todo el mundo es optimista. Muchas desviaciones del modelo estándar se han desvanecido por sí solas, dejando al modelo estándar sin lucha, por lo que otros físicos se han cansado de estos "descubrimientos revolucionarios" y son pesimistas sobre sus perspectivas. ¿Qué está pasando con esta investigación que causó sensación en la comunidad física?
Los electrones y los electrones son casi iguales. Ambas partículas tienen la misma carga eléctrica y otras propiedades cuánticas, como el espín. Pero los iones son 200 veces más masivos que los electrones, por lo que tienen una vida corta y se desintegran en partículas más ligeras. Como resultado, los electrones no pueden reemplazar a los electrones en su papel clave en la estructura. Casi todos los enlaces químicos entre átomos, que construyen el mundo que conocemos, existen debido a la estabilidad de los electrones. El momento magnético es una cantidad física estrechamente relacionada con el espín. Lo que este experimento mide es la desviación del momento magnético de la predicción teórica, lo que se denomina problema del momento magnético anómalo de los iones.
Cuando el físico alemán Paul Kunze observó por primera vez el muón en 1933, su composición no era segura, e incluso se acababa de proponer el concepto de momento magnético. La partícula recién descubierta era un fenómeno inexplicable para la entonces limitada familia de partículas subatómicas, lo que llevó a la famosa cita del físico Isidor Isaac Rabi: “Piénselo, "Partículas, ¿alguien ha pedido este plato en las siguientes décadas?" La comprensión tradicional proliferó. Las partículas eran de hecho parte de una colección más grande de partículas, pero el proceso de la historia aún no logró resolver el misterio del rabino: Resulta que puede haber algo extraño en los niños.
En 1968, los físicos experimentales del entonces CERN obtuvieron un resultado con una precisión de 265 ppm, lo que se alejaba 1,7σ del cálculo teórico de aquel momento. Hablando probabilísticamente, la probabilidad de que esta situación se deba al azar es aproximadamente del 9%.
Sin embargo, después de una inspección cuidadosa, se descubrió que el motivo de la desviación era un problema con el cálculo teórico en ese momento. Después de reparar el error, los resultados teóricos y experimentales coincidieron.
En 2001, el experimento E821 en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, logró una precisión de 1,3 ppm y descubrió que el momento magnético del muón puede desviarse de la teoría. Incluso si tiene un nivel de confianza de 3,3σ, no es suficiente para convencer a los físicos de que existe un momento magnético anómalo. Incluso si no existe ninguna física nueva, los científicos tienen una probabilidad entre mil de ver una desviación tan grande. (Cuando el nivel de confianza es 5σ, esta probabilidad es de 1 entre 3,5 millones.) Aunque el resultado no llega a 5σ, el resultado de 2001 es suficiente para despertar el interés de los investigadores en experimentos futuros.
Después de años de experimentos, los físicos finalmente elevaron el nivel de confianza a 4,2σ. Aunque los investigadores aún no pueden afirmar haber hecho un nuevo descubrimiento, esto es lo más cerca que hemos estado los humanos de una nueva física. Y apenas la semana pasada, el experimento de quarks de fondo del Gran Colisionador de Hadrones (LHCb) puede haber descubierto evidencia de una violación de la universalidad del sabor de los leptones (LFU). Aunque el nivel de confianza es sólo de 3,1σ, también implica que existe nueva física en las partículas. Los crecientes desafíos al modelo estándar están provocando los nervios sensibles de los físicos de partículas.
La mayoría de experimentos de física reutilizan piezas. Por ejemplo, el túnel subterráneo donde se encuentra el Gran Colisionador de Hadrones fue diseñado originalmente para su predecesor, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones. Los físicos experimentales detrás de Muzi G-2 fueron un paso más allá. En lugar de construir un nuevo imán in situ, transportaron el anillo magnético de 15 metros desde Brookhaven Water a su nuevo hogar en Fermilab a más de 5.000 kilómetros.
Los imanes cobran protagonismo en el experimento Muzi g-2. Un haz de piones positivos (partículas livianas compuestas por un quark up y un antiquark down) se descompone en iones y neutrinos. Los electrones son recogidos y guiados a órbitas circulares alrededor del imán, donde pueden realizar unos pocos miles de revoluciones antes de descomponerse en positrones. Al detectar la dirección en la que se desintegran las partículas, los físicos pueden extraer información sobre cómo interactúan las partículas con los imanes.
¿Cómo funciona este proceso? Piense en la partícula como un reloj analógico en miniatura, con su manecilla de las horas girando a una velocidad predicha por la teoría mientras la partícula orbita alrededor del imán. Cuando llegue al final, el electrón se desintegrará en un positrón y lo irradiará en la dirección de la manecilla del reloj. Pero si la manecilla del reloj gira a un ritmo diferente al que predice la teoría, digamos un poco más rápido, los positrones en descomposición apuntarán en una dirección ligeramente diferente. (En esta analogía, la manecilla de las horas corresponde al giro del ion, una propiedad cuántica que determina la dirección en la que se desintegra). Detecte suficientes positrones desviados y podrá detectar una anomalía.
Aún se desconoce el significado de las anomalías. Puede ser algo que el modelo estándar no explica, puede ser una diferencia entre electrones y electrones, o puede haber fenómenos que los electrones son demasiado pequeños para detectar ahora. La masa de una partícula está relacionada con la cantidad de partículas desconocidas con las que puede interactuar, por lo que es mucho más sensible a iones con una masa 200 veces mayor que la de los electrones.
El experimento Miuzi G-2 ha estado recopilando datos desde su primera ejecución en 2017, pero los resultados no llegan hasta ahora porque procesar la información es una tarea difícil. Por sí solo, el valor experimental del muón g-2 no nos dice nada. Para que tenga sentido hay que compararlo con las últimas predicciones teóricas, que son en sí mismas obra de 130 físicos.
La razón por la que se requiere tanta capacidad cerebral es que cuando una partícula viaja a través del espacio, el espacio no está vacío. En cambio, innumerables partículas virtuales forman una sopa que aparece y desaparece de la nada. Existe una pequeña posibilidad de que una partícula interactúe con estas partículas, lo que afectará su comportamiento. Calcular el impacto de estas partículas virtuales en el espín de los iones requiere una serie de arduos cálculos teóricos para lograr la misma precisión.
Todo esto significa que existen incertidumbres en las predicciones teóricas de las partículas mismas, y los teóricos han estado tratando de reducir las incertidumbres. Un método es mediante la cromodinámica cuántica de red (QCD), que se basa en una potencia informática masiva para calcular el impacto de las partículas virtuales sobre los iones. Según Aida El-Khadra, física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, alrededor de media docena de grupos de investigadores se dedican a este problema.
Un artículo publicado en "Nature" afirma que la desviación que se produjo esta vez puede no ser una física nueva en absoluto, sino una desviación en los cálculos teóricos. Las predicciones teóricas anteriores se basaban en mediciones de la sección transversal de colisión de positrones y electrones negativos aniquilados en hadrones. De hecho, estas predicciones teóricas pueden desviarse de la realidad. La desviación puede explicarse por la polarización hadrónica del vacío de orden principal (LO-HVP). En otras palabras, es muy posible que la situación esta vez sea como la de 1968. No hay ningún problema con el experimento, pero sí con las predicciones teóricas basadas en las teorías existentes.
Pero aun así no puede frenar el entusiasmo de los físicos. Durante los próximos días y semanas, una avalancha de artículos teóricos intentaría dar más significado a los resultados. Los modelos que introducen nuevas partículas como bosones Z y quarks leptones se actualizarán con nueva información. Al mismo tiempo, algunos físicos especularán sobre lo que puede significar el giro anómalo de los iones. Los esfuerzos para reducir aún más la incertidumbre y llevar los resultados por encima de 5σ aún continúan.
Según los investigadores, se espera que los datos de la segunda y tercera ejecución del experimento Miuzi G-2 se publiquen dentro de 18 meses. Estos datos pueden llevar el nivel de confianza más allá del umbral de 5σ. reducir su nivel de confianza. Además, los investigadores del J-PARC (Complejo Japonés de Investigación del Acelerador de Protones), un laboratorio físico en Tokio, Japón, pueden tener su propia respuesta. Planean medir los resultados de la verificación independiente del experimento Muton g-2 de una manera ligeramente diferente. Mientras tanto, los teóricos seguirán perfeccionando sus predicciones y reduciendo la incertidumbre en sus mediciones.
Sin embargo, incluso si todos estos esfuerzos confirman que la nueva física está funcionando en las partículas, los físicos no pueden explicar qué es la nueva física. Las herramientas necesarias para revelar la naturaleza de la nueva física pueden ser nuevos colisionadores, exactamente lo que muchos físicos han estado pidiendo en sus propuestas para el Colisionador Lineal Internacional y el LHC de alta luminosidad. El interés por los muones ha aumentado en los últimos meses, y múltiples artículos predicen que permitiría a los físicos determinar la naturaleza de partículas o fuerzas desconocidas que afectan a los muones.
Incluso aquellos que dudaban de la confianza de los nuevos resultados no pudieron evitar encontrar algo de esperanza. "Esto es algo bueno para la física de partículas, que lleva un tiempo muriendo", afirmó Tommaso Dorigo, físico experimental de la Universidad de Padua en Italia
Compilador: Wang Yu Reseña: Wu Fei
Enlace de referencia:
/article/long-awaited-muon-measurement-boosts-evidence-for-new-physics/
/articles/s41586-021 -03418-1.pdf
https://www.changhai.org/articles/science/physics/particles/muon_amm3.php