El experimento Mu2e en el Fermilab

Dibujo20140616 mu2e fermilab - feynman diagrams - yuri oksuzian

El modelo estándar de las partículas predice ciertos fenómenos de probabilidad muy baja. El experimento Mu2e en el Fermilab buscará la conversión de un muón en un electrón sin neutrinos (μ+N→e+N) cuya probabilidad según el modelo estándar es menor de 10−50. Observar un fenómeno tan improbable será una señal muy clara de nueva física más allá del modelo estándar.

La colaboración Mu2e está formada por 160 miembros de 28 instituciones. Se espera que la toma de datos se inicie cerca del año 2020 y se prolongue durante tres años. Queda una década entera de duro trabajo para que los físicos de esta colaboración vean cumplidos sus sueños. Nos lo cuenta Yuri Oksuzian (on behalf of Mu2e collaboration), «Mu2e Experiment at Fermilab,» Fermilab Users’ Meeting, June 11, 2014 [slides PDF].

Dibujo20140616 mu2e conversion - BSM due to CLFV - theory - yuri oksuzian

La conversión de un muón en un electrón resultado de la violación de la simetría de sabor en los leptones cargados (CLFV por Charge Lepton Flavor Violation) es una predicción de muchas teorías más allá del modelo estándar. Como muestra esta figura, para la estimación de su probabilidad se puede utilizar una teoría (un lagrangiano) efectivo.

Dibujo20140616 CLFV searches - history - phys reports

La sensibilidad de diseño del experimento Mu2e ronda Rμe = 2,5 × 10−17, lo que implica la observación de 4 sucesos si hay nueva física tal que Rμe = 10−16 y 40 sucesos si Rμe = 10−15; los sucesos de fondo (backgroud o ruido) se estiman en 0,4 (no se espera observar ninguno). Por supuesto, según el modelo estándar no se observará ningún suceso durante los tres años de observación (entre 2020 y 2022). Quizás sólo se mejore el límite actual para la CLFV, lo que no es poco.

Dibujo20140616 mu2e will measure ratio mu2e conversion - numerator - yuri oksuzian

Dibujo20140616 mu2e will measure ratio mu2e conversion - denominator - yuri oksuzian

Dibujo20140616 mu2e will measure ratio mu2e conversion - dominant background - yuri oksuzian

¿Por qué 160 científicos dedican varios años de su vida a diseñar un experimento que no observará nada nuevo según el modelo estándar? La razón es muy sencilla. Muchos físicos confían en que las señales de nueva física aparecerán en el momento más inesperado con el experimento más inesperado.  Si en Mu2e se observa algo, sería la primera señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Mucha gente se preguntará el porqué estos físicos están matando moscas a cañonazos. La razón es la misma que llevó a las colaboraciones MINOS y OPERA a medir la velocidad de los neutrinos muónicos usando relojes en la escala de nanosegundos, cuando un cálculo sencillo en el modelo estándar indica que es necesario usarlos en la escala de los femtosegundos (un millón de veces más precisos). Muchas colaboraciones están guiadas por la ilusión de explorar lo desconocido y por la esperanza de observar algo nuevo. Por ello tratan de observar fenómenos que según las leyes de la física actuales son imposibles de observar. Sin embargo, nada prohíbe que dichos fenómenos existan y además hay muchas teorías que los predicen.

Los físicos que trabajan en Mu2e creen que tiene un gran potencial para desvelar nueva física pues explorará fenómenos asociados a una escala de masas de 10.000 TeV (mucho más allá de los 14 TeV del LHC en el CERN). En el peor caso mejorarán en cuatro órdenes de magnitud los límites de exclusión actuales. Y en el mejor de los casos se prepararán para pasear por una alfombra roja hacia Estocolmo.

Coda final. Esta entrada pretende ser la primera de una serie sobre experimentos que permiten explorar la dimensión de lo desconocido «matando moscas a cañonazos» (según las predicciones del modelo estándar). Experimentos basados en la fe ciega que tienen muchos físicos teóricos en que pronto se demostrará que el modelo estándar está equivocado porque es una teoría efectiva a baja energía.



3 Comentarios

  1. Dejame adivinar: el modelo standar predice fielmente todo lo que ocurre a bajas energias, estos experimentos van a dar como resultado un nuevo «modelo standar» pero a altas energias, y los cientificos van a pasar la segunda mitad del siglo tratando de unificarlas……

  2. Sííííííííííííííí. Hacía mucho tiempo que no subías la temperatura. Estoy deseando que desarrolles esto de M.M.A.C. (matando moscas a cañonazos).

    ¡QUEREMOS MÁÁÁÁÁÁÁÁS!

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 17 junio, 2014
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