El nuevo valor más preciso de la constante de estructura fina está a 5.4 sigmas del anterior

Por Francisco R. Villatoro, el 3 diciembre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Ya te conté en 2018 (LCMF, 13 abr 2018) que se publicó en Science que «el valor más preciso de la constante de estructura fina» era 1/α = 137.035 999 046(27), con una precisión de 200 partes por billón; se midió la velocidad de retroceso de átomos de cesio (133Cs) bajo luz láser. Se acaba de publicar en Nature un valor aún más preciso, 1/α = 137.035 999 206(11), con una precisión de 81 partes por billón; se usa el mismo método, pero con átomos de rubidio 85Rb. La diferencia entre ambas medidas es de 5.4 sigmas (usando la desviación estándar de la nueva medida). Además, el momento magnético anómalo del electrón (la predicción más precisa del modelo estándar) se estima en ae = (ge−2)/2 = 1 159 652 180.252(95) × 10−12, con una precisión de 0.1 partes por billón; la diferencia respecto a la medida directa más precisa es de (4.8 ± 3.0) × 10−13 (a solo 1.6 sigmas); por cierto, la diferencia con la estimación de 2018 era de (−8.8 ± 3.6) × 10−13 (a −2.4 sigmas). Sin lugar a dudas, medir con extrema precisión las constantes fundamentales es de relevancia capital en física.

El nuevo artículo es Léo Morel, Zhibin Yao, …, Saïda Guellati-Khélifa, «Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion,» Nature 588: 61-65 (02 Dec 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2964-7; más información divulgativa en Holger Müller, «Standard model of particle physics tested by the fine-structure constant,» Nature 588: 37-38 (02 Dec 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03314-0.

Las consecuencias de este nuevo resultado son múltiples. Me gustaría destacar el efecto sobre «la señal de ATOMKI de un supuesto fotón oscuro a 7.2 sigmas» (LCMF, 21 nov 2019). Te recuerdo que la distribución angular de los pares electrón-positrón en las transiciones nucleares de 8Be apuntaba a un hipotético fotón oscuro (bosón gauge protofóbico X) con una masa de 16.7 MeV/c². Había una pequeña ventana aún abierta para este bosón en los límites de exclusión de los experimentos E141 y NA64; para dicha masa el último resultado de la colaboración NA64 excluye los acoplamientos vectoriales ε < 6.8 × 10−4. El nuevo resultado para la constante de estructura fina requiere un acoplamiento ε = (8 ± 3) × 10−4, al 90 % C.L., para explicar la anomalía de ATOMKI (en la figura se muestra una banda roja con el rango permitido; con puntos grises se representa la región permitida si se permite la variación de la masa). Así, la próxima publicación de resultados de NA64 (que se espera que duplique su cota superior de exclusión) podría excluir de forma definitiva un fotón oscuro protofóbico como explicación para la anomalía.

Otro resultado destacable son los límites de exclusión a las posibles variaciones del momento magnético anómalo del electrón δae debida a física más allá del modelo estándar. Si dicha variación es positiva, se rechaza δae > 9.8 × 10−13 al 95 % C.L., y si es negativa, se rechaza δae < −3.4 × 10−13 al 95 % C.L. Ademas, si la discrepancia a 3.6 sigmas entre la teoría y el experimento para el problema del momento magnético anómalo del muón (aμ) está asociada a nueva física que cumple la universalidad leptónica tiene que afectar al electrón, el efecto sobre electrón sería (me/mμ)2 δaμ (que depende del cociente entre las masas del electrón y el muón). La nueva medida estima a δae = (me/mμ)2δaμ ≈ 6.5 × 10−14, un resultado un orden de magnitud por debajo del límite superior estimado. En los próximos años, se espera que haya medidas directas de ae que alcancen dicha precisión. Habrá que estar al tanto de estos resultados que podrían explorar nueva física más allá del modelo estándar, incluyendo posibles violaciones de la universalidad leptónica.

Finalmente, me gustaría comentar que el nuevo resultado implica nuevos límites para la posible estructura interna del electrón. Si el electrón fuera una partícula compuesta de partículas con una masa m* unidas entre sí por una nueva interacción fundamental muy fuerte, el tamaño del electrón sería R = ħ/(m*c) y su momento magnético anómalo se modificaría en δae ≈ me/m* (resultado de un análisis dimensional muy simple). El nuevo resultado en Nature excluye una masa m* < 520 GeV/c2, es decir, un radio R > 4 × 10−19 m, con un intervalo de confianza estadística (C.L.) del 95 %. Este resultado aún está muy lejos de los mejores límites que obtuvo LEP (el colisionador electrón-positrón que ocupaba el túnel actual del LHC en el CERN), m* < 10.3 TeV/c², siendo el intervalo a una sigma (8.7, 13.1) TeV/c². Así, el LHC nunca alcanzará la energía suficiente para poder observar la posible subestructura del electrón.

En resumen, un gran resultado experimental que nos recuerda la gran relevancia de la física de precisión. No he descrito los detalles del nuevo experimento con rubidio, muy interesantes, pero parecidos al experimento que se realizó con cesio hace dos años. Los próximos años prometen nuevas mejoras en estos experimentos, así que habrá nuevas piezas en este blog tituladas el nuevo valor más preciso de la constante de estructura fina.



4 Comentarios

  1. Francis no entendi muy bien la parte del momento magnetico del electron. Si esta medida mas precisa de la constante de estructura fina pone esas cotas al momento msgnetico del electron, significa eso que la anomalia del momento magnetico del muon no deberia aparecer en los proximos resultados que se esperan de Fermilab? Sabes algo de sobre cuando se espera que Fermilab haga publicos los resultados de la primera fase del experimento? Deberia estar al caer

    Un saludo

    1. Javier, no sabemos qué resultado obtendrá el experimento Muon g-2 del Fermilab; podría ocurrir tanto que se reduzca como que crezca el número de sigmas de la desviación respecto a la mejor predicción teórica (que se publicó en junio de 2020). El valor experimental actual muestra una desviación de unas 3.5 sigmas (el error es de 540 ppb) y el valor esperado del experimento Muon g-2, si el valor central fuera el mismo, alcanzará 6.0 sigmas (el error que se obtendrá debería ser de 140 ppb, según https://arxiv.org/abs/2012.00509), pero el valor central se desplazará (siempre ocurre) con lo que es imposible predecir el número de sigmas final de la desviación. Por eso hay que realizar el experimento (además, el error de la mejor predicción teórica actual es de 369 ppb).

      Este año con la COVID-19 todo va a un ritmo diferente; en junio de 2020 se dijo que el resultado se publicaría en los próximos meses.

      Hay que recordar que el análisis de los datos es ciego (blinded) para todos los científicos de la colaboración y solo en el último momento se desvelará el resultado (unblinding); lo habitual es que se realice algún tipo de reunión colectiva interna para todos ellos cuando se desvelen los resultados (y con la COVID-19 una reunión presencial está desaconsejada); además, seguramente enviarán el artículo a Nature o a Science, con lo que solo tendremos acceso al artículo una vez sea aceptado. Así que de aquí a un año será cuando se publique (yo no creo que antes del verano de 2021).

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