Cómo el lugar decimal podría redefinir la física

Los investigadores han identificado el origen de las discrepancias en las predicciones recientes sobre el momento magnético del muón. Sus hallazgos podrían contribuir al estudio de la materia oscura y otros aspectos de la nueva física.

Un momento magnético es una propiedad intrínseca de una partícula que gira, que surge de la interacción entre la partícula y un imán u otro objeto con un campo magnético. Al igual que la masa y la carga eléctrica, el momento magnético es una de las cantidades fundamentales de la física. Existe una diferencia entre el valor teórico del momento magnético del muón, partícula de la misma clase que el electrón, y los valores obtenidos en experimentos de alta energía realizados en aceleradores de partículas.

La diferencia sólo aparece hasta el octavo decimal, pero los científicos han estado interesados ​​en ella desde su descubrimiento en 1948. No es un detalle: podría indicar si el muón está interactuando con partículas de materia oscura u otros bosones de Higgs, o incluso si se desconoce. . En esta operación participan tropas.

Inconsistencias en el momento magnético del muón

El valor teórico del momento magnético del muón, representado por la letra g, viene dado por la ecuación de Dirac, formulada por el físico inglés y premio Nobel de 1933 Paulo Dirac (1902-1984), uno de los fundadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica. – como 2. Sin embargo, los experimentos han demostrado que g no es exactamente 2, y hay mucho interés en comprender «g-2», es decir, la diferencia entre el valor experimental y el valor predicho por la ecuación de Dirac. El mejor valor experimental disponible actualmente, obtenido con un asombroso grado de precisión en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) en EE.UU. y anunciado en agosto de 2023, es 2,00116592059, con un rango de incertidumbre de más o menos 0,00000000022.

«La determinación precisa del momento magnético del muón se ha convertido en un tema importante en la física de partículas porque la investigación de esta brecha entre los datos experimentales y la predicción teórica puede proporcionar información que puede conducir al descubrimiento de algunos efectos nuevos y sorprendentes», dijo el físico Diogo Boito, profesor de la Instituto de Física de la Universidad de São Carlos, São Paulo (IFSC-USP), a la FAPESP.

Sobre este tema fue publicado en la revista un artículo de Boito y sus colaboradores Cartas de revisión física.

Nuevos conocimientos de la investigación

«Nuestros resultados han sido presentados en dos importantes eventos internacionales: primero por mí durante un taller en Madrid, España, y luego por mi colega Martin Goltermann de la Universidad Estatal de San Francisco en una reunión en Berna, Suiza», dijo Boito.

Estos resultados identifican e indican el origen de la discrepancia entre los dos métodos utilizados para hacer predicciones actuales para el muón g-2. «Actualmente existen dos métodos para determinar el componente fundamental de g-2. El primero se basa en datos experimentales y el segundo en simulaciones por computadora de la cromodinámica cuántica, o QCD, la teoría que estudia las interacciones fuertes entre quarks. Estos dos métodos conducen a resultados muy diferentes, lo cual es un gran problema”. Explicó que hasta que este problema no se resuelva, no podemos investigar las contribuciones de posibles partículas exóticas como los nuevos bosones de Higgs o la materia oscura, por ejemplo, en g-2.

El estudio explica con éxito esta discrepancia, pero para entenderla debemos retroceder unos pasos y empezar de nuevo con una descripción algo más detallada del muón.

Anillo de almacenamiento de muones en Fermilab. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

Un muón es una partícula que pertenece a la clase de los leptones, como ocurre con el electrón, pero tiene una masa mucho mayor. Por este motivo, es inestable y sólo sobrevive durante muy poco tiempo en un contexto de alta energía. Cuando los muones interactúan entre sí en presencia de un campo magnético, se desintegran y se vuelven a ensamblar como una nube de otras partículas, como electrones, positrones, bosones W y Z, bosones de Higgs y fotones. Por tanto, en los experimentos, los muones siempre van acompañados de muchas otras partículas virtuales. Sus contribuciones hacen que el momento magnético real medido en los experimentos sea mayor que el momento magnético teórico calculado mediante la ecuación de Dirac, que es igual a 2.

“Por la diferencia [g-2]es necesario tener en cuenta todas estas contribuciones –tanto las predichas por QCD [in the Standard Model of particle physics] Otros son más pequeños pero aparecen en mediciones experimentales de alta precisión. “Conocemos bien muchas de estas contribuciones, pero no todas”, dijo Boito.

Los efectos de interacción fuerte de QCD no se pueden calcular teóricamente solos, ya que no son prácticos en algunos sistemas energéticos, por lo que existen dos posibilidades. Uno de ellos se utiliza desde hace algún tiempo e implica recurrir a datos experimentales obtenidos de colisiones electrón-positrón, que crean otras partículas compuestas de quarks. El otro es el QCD reticular, que sólo se ha vuelto competitivo en la década actual y consiste en simular el proceso teórico en una supercomputadora.

«El principal problema en la predicción del muón g-2 en este momento es que el resultado obtenido usando datos de colisiones electrón-positrón no concuerda con el resultado experimental general, mientras que los resultados basados ​​en QCD reticular sí lo hacen. No lo fue», dijo Boito. «Nadie está seguro de por qué, y nuestro estudio explica parte de este enigma».

Él y sus colegas llevaron a cabo su investigación específicamente para resolver este problema. «El artículo informa los resultados de una serie de estudios en los que desarrollamos un nuevo método para comparar los resultados de simulaciones QCD de red con resultados basados ​​en datos experimentales. «Hemos demostrado que es posible extraer con gran precisión las contribuciones de los cálculos datos a la red: contribuciones de los llamados diagramas continuos de Feynman”, dijo.

El físico teórico estadounidense Richard Feynman (1918-1988) ganó el Premio Nobel de Física en 1965 (junto con Julian Schwinger y Shinichiro Tomonaga) por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica y física de partículas elementales. Los diagramas de Feynman, creados en 1948, son representaciones gráficas de expresiones matemáticas que describen la interacción de estas partículas y se utilizan para simplificar los cálculos involucrados.

«En este estudio, obtuvimos por primera vez las contribuciones de los diagramas continuos de Feynman en la llamada 'ventana de energía promedio' con gran precisión. Hoy tenemos ocho resultados para estas contribuciones, obtenidos mediante simulaciones QCD de red, y todos son en gran acuerdo Además, hemos demostrado que los resultados basados ​​​​en los datos de interacción electrón-positrón no concuerdan con estos ocho resultados de las simulaciones.

Esto permitió a los investigadores identificar el origen del problema y pensar en posibles soluciones. «Quedó claro que si por alguna razón los datos experimentales para el canal de dos piones estaban subestimados, ésta podría ser la causa de la discrepancia», dijo. Los piones son mesones, partículas formadas por quarks y antiquarks producidas en colisiones de alta energía.

De hecho, nuevos datos (aún bajo revisión por pares) de Experiencia CMD-3 Este estudio realizado en la Universidad Estatal de Novosibirsk en Rusia parece mostrar que los datos del canal binario más antiguo pueden haber sido subestimados por una razón.

Referencia: “Determinación basada en datos del componente relacionado con el quark ligero de la contribución de la ventana media al muón g-2“Por Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman y Santiago Pires, 21 de diciembre de 2023. Cartas de revisión física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

La participación de Boito en el estudio formó parte de su proyecto “Testing the Standard Model: Precision QCD and muon g-2”, por el cual la FAPESP le otorgó una Beca para Jóvenes Investigadores Fase II.