Las cuatro fuerzas fundamentales de la física que rigen nuestras vidas son la fuerza de atracción gravitatoria, la fuerza electromagnética, la fuerza fuerte y la fuerza débil, las dos primeras, seguramente las más escuchadas y conocidas, describen la interacción entre masa a partir de la fuerza de atracción generada por la gravedad, o la interacción entre masas a partir de la generación de campos eléctricos y magnéticos, mientras que las dos últimas, están relacionadas a la interacción entre átomos y a procesos radiactivos. Sin embargo, nada hace pensar que sean las únicas que existen.

El acelerador de partículas del Fermilab, Fermi National Accelerator Laboratory, que forma parte del proyecto Muon g – 2, en Illinois, USA.

 

El pasado 7 de Abril se llevó a cabo una conferencia en la que se dieron a conocer resultados del proyecto Muon g – 2, pronunciado “g menos 2”.

El experimento, formado por un anillo magnético superconductor de 14 metros de diámetro, llevado a cabo por el equipo de investigadores del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) Laboratorio de aceleración y física de partículas de Estados Unidos, en las afueras de Chicago, Illinois. Estos resultados fueron publicados en la prestigiosa revista científica Physical Review Letters, afirmando que  el momento magnético del muón es mayor de lo esperado, un indicio de que nuevas partículas elementales o una nueva fuerza natural están esperando ser descubiertas.

Ilustración de la ubicación del laboratorio y del acelerador de partículas, en Chicago, Illinois, USA.

En el siglo XX,  los tres grandes bloques de la física ya estaban descubiertos y funcionaban a la perfección. El éxito de la teoría del Electromagnetismo que permitió dominar la fuerza electrica y magnetica con gran precisión, la ley de gravitación Universal que describe perfectamente el movimiento de planetas y estrellas, y la termodinámica, que fue obligada a evolucionar por la revolución industrial, hacían pensar pensar a los científicos, en particular a los físicos que sabían todo del cosmos, que todo había sido descubierto. Sin embargo, había áreas de la física que contaban con “algunos grises” entre la teoría y los experimentos, discrepancias que no terminaban de encajar.En aquel momento, no sabían que se encontraban frente a una nueva rama de la física, estos grises son los que dieron inicio a la revolución cuántica.

 

La física cuántica, es un mundo totalmente diferente al mundo clásico conocido. Nada de lo que describe esta rama de la física, es posible de imaginar o comparar dentro del mundo clásico.

Las partículas cuánticas tienen propiedades asociadas que muchas veces son difíciles de entender o de interpretar. Una de ellas, llama “spin” es una propiedad absolutamente cuántica, y por lo tanto, desde nuestro mundo “clásico” no podemos observarla, ni visualizarla, solo y apenas con mucho esfuerzo, podremos imaginarla, porque no existe nada en nuestro mundo, con lo que se pueda comprar. 

 

Quizás una forma de describir esta propiedad, es más o menos similar a lo que significa su traducción, “spin” en inglés significa “giro”. En el mundo clásico, si damos una vuelta sobre nosotros mismos, nos volvemos a encontrar en la misma posición inicial, pero al tratarse de partículas cuánticas, el electrón por ejemplo, para volver a encontrarse en su posición inicial, necesita dar dos giros. 

Todas las partículas cuánticas tienen  un “giro” propio a las cuales se les atribuye propiedades magnéticas intrínsecas de la partícula, por ejemplo el electrón actúa como un pequeño imán en miniatura, generando magnetismo. Esta propiedad “spin”, que genera fuerzas magnéticas, se mide en física, a través del momento magnético. En el caso del electrón depende de una constante, conocida como factor g, y tiene un valor igual a 2, calculado por primera vez por el físico Dirac. 

 

El mismo valor, 2, es el de su partícula hermana, el Muón, o al menos eso se pensaba hasta 1947, cuando se midió un valor para el factor g en 2.00232. Una ligera pero significativa diferencia con respecto al valor esperado. No pasaría mucho tiempo hasta que se lograra explicar en el contexto de mecánica cuántica esta discrepancia. Pues se trataba de la naturaleza cuántica del vacío, que para entenderlo hay que sumergirse un poco más de lleno en la electrodinámica cuántica, descrita por la dupla “Relatividad+Cuántica”. 

 

Cuando hablamos de electrodinámica cuántica, nos referimos, como era de esperar, a una realidad completamente distinta a la que conocemos. Por ejemplo, en física clásica, cuando una partícula viaja desde el punto A al punto B, lo hace  de la forma más simple y sencilla, en cambio, según la electrodinámica cuántica, cuando una partícula va desde A a B, no lo hace por el camino obvio, el recto, el sencillo, sino que existen infinitos caminos, la partícula se encuentra sujeta diferentes variaciones cuánticas, que incluso puede reemitir un foton y absorberlo de camino A a  B, puede generar un par electron-positron y reabsorberlo, etc.

 

Esto está ocurriendo de infinitas formas todas juntas a la vez, infinitas combinaciones, todas estas partículas que aparecen se llaman “partículas virtuales” y es una de las predicciones más asombrosas de la teoría cuántica, descriptas a través de las fluctuaciones cuánticas del vacío: cuando una partícula real atraviesa este vacío, estas partículas reales son afectadas por las partículas virtuales del vacío, que están ahí, interactuando constantemente con cada partícula, modificando sus propiedades, como por ejemplo su masa, o sus cargas. Una partícula real tiene más masa por culpa de toda esa nube de partículas virtuales, que  por supuesto, modifican también su magnetismo.

 

La forma en que alteran la masa y el momento magnético del electrón y del muón, explican y predicen de forma muy precisa la desviación que se registró en el experimento con el electrón. Ese valor ligeramente superior era causado por las partículas del vacío cuántico. Algo similar ocurre con el momento magnético anómalo y se conoce muy bien su origen, los efectos del vacío cuántico.

 

Los años pasaron, lo hicieron para bien. Los cálculos se fueron haciendo más precisos con más correcciones, afinando cada vez más la diferencia entre el resultado teórico y los experimentos. También, la toma de datos se hace más resolución y, a medida que pasa el tiempo, existe más cantidad de datos. Con todo esto,  el cálculo del momento magnético anómalo del electrón es la medida de la historia de las ciencias con mayor grado de precisión, hasta 10 cifras cifras significativas.

  

En la teoría, el modelo estándar es la forma más precisa que existe para explicar las interacciones entre las fuerzas electromagnéticas débiles y fuertes, y se ajusta a los experimentos a la perfección. Pero no todo iba a ser tan perfecto.  Cuando fueron a ser lo mismo con el muón, se encontraron algo más bien diferente del valor calculado con la teoría y el obtenido con el experimento.

Parecen no encajar, los valores obtenidos por teoría y por experimentación son diferentes, un motivo para pensar que en el vacío cuántico está ocurriendo algo raro, algo desconocido. 

 

La historia viene de largo. Los experimentos de espectroscopía en la década de 1920 (antes del descubrimiento de los muones en 1936) revelaron que el electrón tiene un giro intrínseco y un momento magnético. Se descubrió experimentalmente que el valor de ese momento magnético, g, era 2. En cuanto a por qué ese era el valor, ese misterio se resolvió pronto utilizando el nuevo campo de la mecánica cuántica.

 

En 1928, el físico Paul Dirac, basándose en el trabajo de Llewelyn Thomas y otros, produjo una ecuación ahora famosa que combinaba la mecánica cuántica y la relatividad especial para describir con precisión el movimiento y las interacciones electromagnéticas de los electrones y todas las demás partículas con el mismo número cuántico de espín. La ecuación de Dirac, que incorporó el espín como parte fundamental de la teoría, predijo que el factor g debería ser igual a 2, exactamente lo que los científicos habían medido en ese momento.

Pero a medida que los experimentos se volvieron más precisos en la década de 1940, salieron a la luz nuevas pruebas que reabrieron el caso y llevaron a nuevas y sorprendentes ideas sobre el reino cuántico.

 

Resultó que el electrón tenía un poco de magnetismo adicional que la ecuación de Dirac no tuvo en cuenta. Ese magnetismo adicional, expresado matemáticamente como “g-2” (el valor teórico del momento magnético anómalo es a = 0.00115965218279 mientras que el resultado experimental es a = 0.00115965218073), en que g difiere de la predicción de Dirac, se conoce como el “momento magnético anómalo”. Durante un tiempo, los científicos no supieron qué lo causaba. Una discrepancia pequeña pero sospechosa, que justifica una mayor investigación y podría ser el puntapié inicial para revelar una dimensión completamente nueva de la historia. 

 

El físico Julian Schwinger explicó la anomalía en 1947 al teorizar que el electrón podría emitir y luego reabsorber un “fotón virtual”. Con el tiempo, los investigadores descubrieron que había una extensa red de “partículas virtuales” que aparecían y desaparecían constantemente del vacío cuántico. Eso es lo que había estado jugando con el pequeño imán giratorio del electrón. Al final, el momento magnético anómalo representa la influencia combinada simultánea de todos los posibles efectos de esas partículas virtuales cuánticas sobre el electrón. Algunas interacciones tienen más probabilidades de ocurrir, o se sienten con más fuerza que otras, y por lo tanto hacen una contribución mayor. 

 

Los modelos teóricos que describen estas interacciones virtuales han tenido bastante éxito en describir el magnetismo de los electrones. Para el g-2 del electrón, los cálculos teóricos están ahora tan de acuerdo con el valor experimental que es como medir la circunferencia de la Tierra con una precisión menor que el ancho de un solo cabello humano.

 

La otra parte de la historia: El muón

 

Las primeras mediciones del momento magnético anómalo del muón en la Universidad de Columbia en la década de 1950 y en el laboratorio europeo de física CERN en las décadas de 1960 y 1970 coincidían bien con las predicciones teóricas. La incertidumbre de la medición se redujo del 2% en 1961 al 0,0007% en 1979. Parecía que la misma conspiración de partículas que afectó al g-2 del electrón también fuera responsable del momento magnético anómalo del muón.

 

Pero luego, en 2001, el experimento Brookhaven Muon g-2 reveló algo extraño. El experimento, que fue diseñado para aumentar la precisión de las mediciones del obtenidas con el gran colisionador de Hadrones (LHC), del CERN (European Organization for Nuclear Research, Organización europea para la investigación nuclear)), también mostró una pequeña discrepancia (menos de 3 partes por millón) entre la nueva medición y el valor teórico. Esta vez, los teóricos no pudieron encontrar una forma de recalcular sus modelos para explicarlo. Nada en el modelo estándar podría explicar la diferencia.

En el nuevo experimento de Muon g-2, un rayo de muones (todos sus giros apuntando en la misma dirección) se dispara hacia un tipo de acelerador llamado anillo de almacenamiento. El fuerte campo magnético del anillo mantiene a los muones en una trayectoria circular bien definida. Si g fuera exactamente 2, los giros de los muones seguirían exactamente su impulso. Pero, debido al momento magnético anómalo, los muones tienen un ligero bamboleo adicional en la rotación de sus espines.

 

En física usamos para la comparación teoría-experimento, un valor relevante la incertidumbre o error en la medición, que nos permite ponderar cuán lejos está la teoría del experimento. Esa incertidumbre se contabiliza con un valor llamado “Sigma”. Normalmente nos preguntamos ”cuánto sigmas hay entre estos dos valores”, o “Cuántas Sigmas entran en la distancia que existe entre estos dos valores”. En este caso en particular,  la diferencia era significativa, 3.7 sigmas.

Hay un criterio en física, que en realidad es una convención, y es que para dar algo como “resultado definitivo” tiene que alcanzar una distancia de 5 Sigma, entre la predicción teórica y la experimental,  Entonces se da por hecho esa discrepancia.

 

Tras 10 años de experimentos y recolección de datos,  finalmente se terminó de analizar toda la información, y los resultados han sido presentados a la comunidad científica  general. Los resultados continúan en la misma línea, confirmando la desviación, pero ahora con una diferencia de 4.25 sigmas. 

 

Es verdaderamente excitante lo que sucede, porque podrían existir  partículas muy masivas en el espacio cuántico que no conocemos, como las partículas de materia oscura, que representan 27% del universo, y sin embargo, los científicos aún no tienen idea de qué están hechas. A esta altura de la historia, ninguna de las partículas conocidas parece encajar a la perfección con la teoría. 

 

La discrepancia confirmada en realidad no proporcionará detalles a nivel de ADN sobre qué partícula o fuerza está dando a conocer su presencia mediante la interacción con los muones, pero ayudará a reducir los rangos de masa y fuerza de interacción en los que es más probable que los experimentos futuros encuentren algo nuevo. Incluso si la discrepancia se desvanece, los datos seguirán siendo útiles para decidir dónde buscar.

 

Desde la década de 1970, el modelo estándar ha pasado todas las pruebas y ha sobrevivido casi sin cambios. Pero los físicos están convencidos de que debe estar incompleto y algunos esperan que los muones revelen su primer fallo. 

Si en los años próximos se confirma esta diferencia experimental con el modelo estándar, el hecho dará inicio una gran revolución científica, porque finalmente lo han buscado durante más de 50 años, finalmente sería confirmado.