Más leña al fuego de la física de partículas

El experimento Muon g–2 de Chicago confirma la anomalía más severa para el Modelo Estándar, la teoría que lleva 50 años dominando la física de partículas.

Imagen del anillo del experimento Muon g–2, en Fermilab. Doce veces por segundo se inyectan en este anillo varios miles de muones y se espera a que se desintegren. Los detectores situados en el interior del anillo “cazan” los electrones provenientes de esas desintegraciones y permiten medir el campo magnético de los muones.
Imagen del anillo del experimento Muon g–2, en Fermilab. Doce veces por segundo se inyectan en este anillo varios miles de muones y se espera a que se desintegren. Los detectores situados en el interior del anillo “cazan” los electrones provenientes de esas desintegraciones y permiten medir el campo magnético de los muones.Glukicov (Wikimedia)

El año 2021 está siendo pródigo con la física de partículas. Hace pocas semanas contamos que el experimento LHCb del CERN encuentra indicios cada vez más fuertes de que ciertas partículas no se desintegran “como deberían”. ¿Qué significa esto? Que tenemos una teoría excelente, que lleva cincuenta años explicándonos con precisión cómo se comportan las partículas, y este resultado se aleja de lo que la teoría dice, después de décadas de hegemonía. La teoría se llama Modelo Estándar, y no me malentendáis: la adoramos. Nos permite entender cosas que antes eran un auténtico galimatías, y es muy hermoso ver cómo el orden de la naturaleza se refleja en la lógica de las matemáticas. Pero, a la vez… bueno, entenderlo todo es un poco aburrido. Despertarte por la mañana y saber que todo está escrito en esas ecuaciones es un poco… “Hey, qué bien lo hicieron mis abuelos”. Lo bonito es que alguna cosa no encaje del todo. Lo bonito es tener un problema al que poder llamar tuyo. Lo emocionante es pensar que mañana igual te despiertas y eres testigo de algo que nadie ha visto antes.

Por eso a los científicos nos suelen gustar las anomalías. Los “desajustes” representan la oportunidad de descubrir algo nuevo. Y en física de partículas el 2021 se está portando bien con nosotros: tras el anuncio de LHCb ahora llega otro, de la colaboración Muon g–2 de Fermilab, de que no todo encaja en el Modelo Estándar.

El experimento

Muon g–2 es un experimento dedicado a medir el momento magnético anómalo del muón. Esencialmente, se trata de medir el campo magnético de los muones, que son partículas muy parecidas a electrones, pero más pesadas.

Casi todas las partículas tienen un pequeño campo magnético que las sigue a todas partes. Esto es curioso, porque los campos magnéticos suelen aparecer cuando una carga eléctrica gira en círculos. Pero en este caso no hay –que sepamos– ninguna carga girando: lo que hay es una partícula y, saliendo de ella, un campo magnético. Por eso en física lo llamamos momento magnético intrínseco, porque parece ser inseparable de la propia partícula. Otro nombre que usamos para este campo magnético es espín – del inglés to spin, “dar vueltas”, una reliquia de cuando nos preguntábamos si había algo girando dentro de la partícula.

El objetivo de Muon g–2 es medir este espín con exquisita precisión. Para ello toman grupos de unos 5000 muones y los hacen girar en un anillo de 14 metros de diámetro. Los muones no son partículas estables, y a la velocidad a la que se mueven dentro del anillo tardan 64 microsegundos en desintegrarse. Al hacerlo, se transforman en electrones y neutrinos, pero –y aquí viene la parte interesante– el campo magnético del muón influye en la dirección en la que salen estas partículas. Los electrones, por ejemplo, prefieren salir en la dirección del campo magnético cuando se llevan una parte pequeña de la energía del muón, y en la dirección opuesta cuando se llevan la mayoría de la energía del muón.

Esto significa, en pocas palabras, que podemos medir el campo magnético del muón midiendo en qué dirección salen los electrones y con cuánta energía salen. El proceso es complejo y requiere controlar al milímetro todas las propiedades de la máquina, pero la colaboración ha logrado medirlo con once cifras decimales de precisión. El veredicto: el valor que encuentran no coincide con lo que dice el Modelo Estándar. Es más: está tan alejado que constituye la anomalía más severa que hemos medido hasta la fecha.

Esta gráfica resume el resultado recién obtenido por la colaboración Muon g–2 y su tensión con el Modelo Estándar. En el eje horizontal tenemos los posibles valores del momento magnético del muón. En verde, a la izquierda, vemos el valor que predice la teoría, que incluye la contribución de todas las partículas del Modelo Estándar. Arriba, en azul, vemos el resultado del experimento de Brookhaven, obtenido en 2001, y en rojo el nuevo resultado de la colaboración Muon g–2. Abajo a la derecha, en morado, aparece la combinación de estos dos resultados experimentales que, como vemos, se sitúa muy lejos del valor predicho. La probabilidad de que el resultado correcto sea el de la izquierda y, por azar, hayamos obtenido en los experimentos los valores de la derecha es de menos de 1 entre 40.000, lo cual constituye una tensión de 4,2 sigmas. El resultado será considerado un descubrimiento cuando la incertidumbre sea más pequeña y la tensión alcance las 5 sigmas.
Esta gráfica resume el resultado recién obtenido por la colaboración Muon g–2 y su tensión con el Modelo Estándar. En el eje horizontal tenemos los posibles valores del momento magnético del muón. En verde, a la izquierda, vemos el valor que predice la teoría, que incluye la contribución de todas las partículas del Modelo Estándar. Arriba, en azul, vemos el resultado del experimento de Brookhaven, obtenido en 2001, y en rojo el nuevo resultado de la colaboración Muon g–2. Abajo a la derecha, en morado, aparece la combinación de estos dos resultados experimentales que, como vemos, se sitúa muy lejos del valor predicho. La probabilidad de que el resultado correcto sea el de la izquierda y, por azar, hayamos obtenido en los experimentos los valores de la derecha es de menos de 1 entre 40.000, lo cual constituye una tensión de 4,2 sigmas. El resultado será considerado un descubrimiento cuando la incertidumbre sea más pequeña y la tensión alcance las 5 sigmas.Colaboración Muon g–2 (Fermilab)

El traje invisible de los muones

¿Cómo interpretamos este resultado? Si el experimento está en lo cierto, está claro que el Modelo Estándar necesita algún ajuste. Pero no ha de ser un ajuste muy grande, porque recordemos que sigue siendo una teoría que explica muchas cosas con gran precisión, hasta el punto de que nos han hecho falta once cifras decimales para encontrar este pequeño defecto. Lo más sencillo es interpretar la anomalía como partículas nuevas que hasta ahora no conocíamos y que están afectando a las propiedades de los muones.

Para entender cómo ocurre esto hemos de recordar antes un par de cosas sobre las partículas. La más importante es que las partículas no son puntitos, sino ondas que se mueven por el espacio. En concreto son ondas que están ocurriendo en un campo cuántico. En palabras sencillas, los campos son cosas que llenan todo el espacio y que pueden almacenar energía. El campo puede mover esa energía de un sitio a otro, pero para eso necesita oscilar, como las olas sobre la superficie del mar. Cuando una de esas olas se mueve por un campo, nosotros vemos una partícula.

Nadie sabe de qué están hechos los campos, y en realidad no nos hace falta saberlo. Basta con saber que hay un “diccionario” que nos permite traducir lo que nosotros vemos –las partículas– a ondas que están moviéndose por uno de estos campos. Si queremos imaginarlos, una idea útil es verlos como líquidos que llenan todo el espacio, pero que nosotros sólo vemos cuando los agita una ola. Los diferentes tipos de partículas se deben a que también hay diferentes tipos de “líquido”, cada uno con unas propiedades. Así, tenemos un campo para los electrones, otro para los fotones, otro para cada tipo de quark… y las partículas de cada campo heredan las propiedades de éste.

Una propiedad de los campos que nos va a interesar mucho es que pueden interaccionar. O sea: que pueden intercambiar energía, momento e información. Por ejemplo, podemos tener una ola moviéndose por el campo de los muones; nosotros, lógicamente, veremos un muón. De repente, el campo de los muones decide que ya no quiere esa energía y se la regala al campo del electrón y a los campos de los neutrinos; inmediatamente, esos campos reaccionan poniéndose a vibrar, porque algo habrán de hacer con esa inyección de energía que acaban de recibir. ¿Qué veremos nosotros? Que un muón ha desaparecido de repente y que donde estaba han aparecido un electrón y dos neutrinos. Nosotros llamaremos a eso “desintegración del muón”, pero lo que ha ocurrido ha sido un simple trasvase de energía. Ha dejado de vibrar un campo, el de los muones, y han empezado a vibrar otros.

Estas interacciones nos interesan porque se están produciendo en todo momento, incluso cuando no se crean nuevas partículas. La energía de las partículas está continuamente “filtrándose” al campo de al lado, porque, al fin y al cabo, no hay nada que lo impida. Lo que pasa es que la mayoría de las veces el campo receptor no puede hacer nada con esa energía y la devuelve mansamente a su dueño original. ¿Qué habría de pasar para que la energía “se escapara”? Que el campo receptor pudiera crear una partícula con ella. Recordemos que “partícula” es “energía en movimiento”, así que una partícula sí puede coger la energía y llevársela a otra parte. La mayoría de las veces esto no pasa y la energía se queda exactamente donde estaba. A estas “filtraciones” de energía que no se pueden mover las solemos llamar partículas virtuales.

Puede parecer que esto que acabamos de describir es un detalle irrelevante. ¿Qué importancia tiene que la energía se “filtre” a otros campos si éstos no pueden hacer nada con ella? Pues es importante porque este proceso cambia las propiedades de las partículas. No es lo mismo un muón que se mueve en solitario por el espacio que un muón que está continuamente trasvasando energía al campo de los electrones, al campo de los fotones o a los campos de los quarks. El primero es un muón “puro”, un muón que es sólo él mismo; el segundo ya no es sólo un muón, sino que va a heredar algunas propiedades de los campos con los que está compartiendo energía. Llamamos a los primeros partículas desnudas, partículas que son sólo ellas mismas, pero estas partículas no existen en la naturaleza. En el mundo real todas las partículas están vestidas, cubiertas por un “traje” al que contribuyen todos los campos que tiene alrededor. Cuanto más fuerte sea la interacción de una partícula con otro campo, más contribuirá ese campo a su “vestimenta”.

Volvamos ahora al campo magnético de los muones. Como todas las propiedades de todas las partículas, éste también se ve afectado por la presencia de otros campos en torno al muón. Las partículas del Modelo Estándar contribuyen al campo magnético del muón, pero muy poquito: lo cambian sólo en un 1‰. Ahora hemos descubierto que mucho más abajo, en la décima cifra decimal, el Modelo Estándar parece fallar. ¿Cómo es posible? Una respuesta inmediata es que quizá haya más campos además de los del Modelo Estándar. Tal vez existan partículas que nunca hemos podido observar, pero cuyos campos están vistiendo el momento magnético del muón. Quizá, de esta forma tan indirecta, hemos abierto la puerta a algo totalmente nuevo.

Un resultado todavía preliminar

Como habréis notado, el título de este artículo no es “Se han descubierto nuevas partículas gracias al campo magnético del muón”. La razón es sencilla: este tipo de experimentos necesitan tener gran cantidad de datos para estar seguros de que sus resultados son sólidos. Como estamos hablando de procesos cuánticos, que son probabilísticos, cabe la posibilidad de que la anomalía sea sólo un espejismo, una ilusión debida al carácter aleatorio de los datos. En el artículo sobre la anomalía de LHCb ya explicamos por qué aparecen estos espejismos, pero lo importante es que esto se resuelve de forma muy fácil: acumulando más datos. Cuantos más tengamos, más seguros estaremos de que lo que estamos viendo es real.

Y, por fortuna, Muon g–2 tiene muchos datos. El resultado del que hablamos hoy se ha obtenido sólo con los datos del año 2018, pero la colaboración ha seguido tomando datos y sigue haciéndolo en la actualidad. La probabilidad de que la anomalía sea un espejismo es en este momento de 1 entre 40.000, pero con los datos de los años 2019, 2020 y 2021 debería bajar sustancialmente. En física de partículas se suele dar por bueno un descubrimiento cuando la probabilidad de que sea un espejismo cae por debajo de una entre un millón.

Además, otro grupo de científicos en Japón está ya preparando un experimento similar para medir de forma independiente el espín del muón. Si ambos experimentos observan la misma anomalía podremos estar seguros de que hay vida más allá del Modelo Estándar. Todo esto se sabrá a lo largo de esta década, y con un poco de suerte antes del año 2025. Contengamos la respiración, y vayamos a la cama esta noche pensando que quizá mañana veamos algo que ningún otro ser humano ha visto jamás.

QUE NO TE LA CUELEN

  • Las anomalías basadas en la estadística, como las que aparecen en física de partículas, deben ser tratadas siempre con cautela. Es relativamente habitual que aparezcan resultados cuya probabilidad de ser un espejismo sea de una entre mil y que al final, en efecto, sean un espejismo. La anomalía de la que hemos hablado hoy es más fuerte que eso, pero aun así, cautela y paciencia.
  • El nombre partículas virtuales, que hemos mencionado hoy de pasada, es bastante desafortunado. Las partículas virtuales no son partículas. Es cierto, tienen algunas propiedades en común con las partículas, pero eso se debe a que todas ellas son estados de un campo cuántico, y todas heredan algunas de las propiedades de ese campo. La diferencia fundamental está en que las partículas “de verdad” pueden propagarse, pueden llevar su energía a puntos lejanos del espacio (aunque a veces se desintegren muy rápido y recorran sólo distancias cortas). Los estados virtuales, en cambio, no se pueden propagar, pero sí pueden contener energía, servir de “puente” entre campos que normalmente no podrían interaccionar, o vestir los estados de otros campos.

REFERENCIAS