Los descubrimientos científicos son diferentes: un descubrimiento inesperado de la radiactividad o una larga búsqueda del pronosticado bosón de Higgs. Pero algunos descubrimientos se mezclan cuando algunos indicios en los datos indican mediciones futuras que pueden llevar años. Ahora la investigación científica de este último tipo está sucediendo, lo que puede causar una gran resonancia en la física.
En febrero de 2018, una colaboración de 190 científicos que trabajan en
el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi en Illinois comenzó a usar una matriz de imanes de anillo de 15 metros de diámetro para tomar una de las mediciones más precisas de la historia. En este estudio, llamado "
experimento ji menos 2 " (g-2), los científicos medirán el
momento magnético anómalo de una partícula subatómica rara, un muón, un pariente pesado del electrón. Un muón solo puede existir en el orden de 2.2 ppm.
La medición del momento magnético, es decir, la fuerza del imán creado por el muón, se realizó con un error de
10-12 . Es lo mismo que medir la distancia de la Tierra al Sol con un error milimétrico. Hoy, los valores calculados y medidos no coinciden, y esta diferencia puede ser el primer indicio de física fuera del Modelo Estándar, la teoría actual que describe el mundo subatómico.
Este sería un gran descubrimiento, ya que los físicos harían un hueco en la teoría prevaleciente. Conduciría a un modelo científico nuevo y mejorado que se adapta mejor a su tarea. Y dado que la teoría actual es bastante exitosa, realmente impulsaría nuestro conocimiento.
Una vez en un campo magnético, los muones comienzan a precesar, es decir, oscilar de cierta manera. En un campo magnético, podemos medir la frecuencia de precesión. Esta medida incluye la carga de partículas y el
factor g , utilizado para distinguir entre ciertas variantes de teorías. En la teoría clásica, g = 1, y en la teoría cuántica no relativista, g = 2.
Las mediciones del factor g para electrones, que comenzaron poco después de la Segunda Guerra Mundial, mostraron una ligera diferencia con respecto al valor teórico de 2, y dieron un resultado experimental de 2.00232. Esta diferencia se debe a los efectos descritos por la teoría de
la electrodinámica cuántica , QED. Concentrándose en la diferencia entre teoría y experimento, 0.00232, los investigadores parecieron restar los dos del resultado, razón por la cual el experimento fue nombrado (g-2).
En electrodinámica cuántica, entre otras cosas, estudiamos la existencia de partículas virtuales, o lo que a veces se llama espuma cuántica. Las partículas virtuales son un caldo de partículas de materia y antimateria que surgen de la nada durante una fracción de segundo y luego desaparecen nuevamente, como si no estuvieran allí. Aparecen en todas partes, pero son especialmente importantes cuando aparecen junto a partículas subatómicas.
De 1997 a 2001, los investigadores del Brookhaven National Laboratory midieron el factor muon g con una precisión de 12 dígitos significativos y compararon este resultado con cálculos teóricos de la misma precisión. Los resultados no coincidieron. Para comprender la importancia de esta discrepancia, es necesario comprender su error. Por ejemplo, si desea saber cuál de las dos personas es más alta y el error en sus mediciones será de medio metro, entonces es poco probable que llegue a una conclusión convincente.
La diferencia entre los resultados medidos y calculados, dividida por el error combinado (lo que los científicos llaman sigma), es 3.5. En física de partículas, un sigma de 3.0 se considera evidencia convincente, pero un verdadero descubrimiento requiere un valor de 5.0.
Por lo general, se esperaría que los experimentadores en Brookhaven mejoren su configuración y recopilen más datos, pero obstáculos insuperables se interponían en el camino del laboratorio. Por lo tanto, los investigadores decidieron transferir el anillo g-2 a Fermilab, donde hay un acelerador capaz de liberar más muones. El equipo fue transportado 5.000 km en una barcaza a lo largo de la costa este y río arriba del río Mississippi. En julio de 2013, llegó a Fermilab.
Con los años, el anillo se ha actualizado por completo, se han instalado detectores y componentes electrónicos mejorados. La nueva instalación tiene enormes oportunidades. Por cierto, los residentes de áreas vecinas tienen la leyenda de que los restos de un platillo volador caído se almacenan en el laboratorio. Digamos, de alguna manera, al amparo de la noche, un camión salió del laboratorio, acompañado por la policía, en el que había una unidad de 15 metros bajo una lona.
La colaboración Fermilab g-2 comenzó su trabajo. Se iniciará la instalación y comenzará la grabación de datos, que durará hasta principios de julio.
¿Qué resultado pueden obtener los científicos? Si todo sale como se esperaba, y el valor de g medido en Fermilab resulta ser el mismo que el medido en Brookhaven, entonces la diferencia en los datos registrados en Fermilab es 5 sigma. Y esto significará un descubrimiento.
Por otro lado, el resultado de Fermilab puede no ser el mismo que en Brookhaven. La nueva dimensión puede coincidir con los cálculos, y luego no habrá diferencias.
Pero, ¿y si g-2 hace un descubrimiento? ¿Cuál será el resultado probable? Como mencioné anteriormente, el momento magnético anómalo del muón es muy sensible a la existencia de partículas virtuales cercanas. Estas partículas cambian ligeramente el momento magnético del muón. Además, una coincidencia ultraprecisa de mediciones y cálculos no sería posible si no existieran partículas virtuales.
Sin embargo, lo cual es bastante obvio, solo se usaron partículas virtuales conocidas en los cálculos. Una posible explicación de la discrepancia observada puede ser la existencia en la espuma cuántica de partículas subatómicas adicionales, pero desconocidas.
Vale la pena señalar que los descubrimientos en el campo de las partículas subatómicas se han mantenido durante décadas por los aceleradores de partículas de alta energía. La famosa ecuación de Einstein E = mc
2 describe la identidad de masa y energía. Por lo tanto, para abrir partículas pesadas, se requiere mucha energía. Hoy, el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN es el acelerador más poderoso.
Sin embargo, el método de fuerza bruta para hacer partículas no es la única forma de estudiar la región de alta energía. El principio de incertidumbre de Heisenberg dice que incluso eventos energéticamente "imposibles" pueden ocurrir si su vida es lo suficientemente corta. Por lo tanto, es posible que una partícula virtual, que generalmente no existe, pueda aparecer de la inexistencia durante un tiempo lo suficientemente largo como para afectar el momento magnético del muón. En este caso, una medición muy precisa podría revelar la existencia de esta partícula. Este es el caso cuando el bisturí es mejor que un mazo y, quizás, en este caso, el experimento de g-2 en Fermilab puede saltear el LHC.
Pero vale la pena señalar que la historia de la ciencia está llena de casos en que las diferencias en 3 sigma desaparecieron después de recopilar datos adicionales. Por lo tanto, no aconsejo apostar por el resultado de esta medición. Las discrepancias pueden ser fluctuaciones estadísticas. Sin embargo, el g-2 medido en Brookhaven aún puede ser el primer signo de un descubrimiento que cambia el paradigma. Los datos registrados esta primavera serán analizados en el otoño y los resultados pueden aparecer más adelante este año. Los resultados de la primera ejecución del experimento g-2 deben esperarse con cauteloso optimismo.