Lo que esperamos del experimento Muon g−2 del Fermilab y otras anomalías relacionadas con muones

Por Francisco R. Villatoro, el 3 abril, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 4

El próximo 7 de abril de 2021, a las 17:00 (Madrid), se anunciarán los primeros resultados del experimento Muon g−2 (E989) del Fermilab (que lleva tomando datos desde 2018). En 2001 se anunció una discrepancia a 3.7 sigmas entre el valor observado y el predicho por el modelo estándar para el momento magnético anómalo del muón. En concreto, el experimento E821 en el BNL (Brookhaven National Laboratory) observó que a ≡ (g−2)/2 = 116 592 089(63) × 10−11, mientras el modelo estándar predice a = 116 591 810(43) × 10−11, lo que implica ∆a = 2.79 ± 0.76 × 10−9. E989 anunciará un resultado con ∆a ≈ 10−9 (su objetivo final es alcanzar ∆a ≲ 0.2 × 10−9 dentro de un lustro), así que lo único que se puede esperar es una confirmación independiente de la anomalía de E821. Ello no quita que toda la comunidad en física de partículas estará muy atenta al anuncio (que tendrá un gran impacto mediático).

Esta figura de Patrick Koppenburg @PKoppenburg, físico en LHCb, muestra todas las anomalías relacionadas con muones observadas en el LHC (la mayoría en LHCb). Muchos físicos están deseosos de observar física más allá del modelo estándar. Su gran esperanza no es solo que todas estas anomalías sean reales, en lugar de un producto de fluctuaciones estadísticas en las colisiones o sesgos sistemáticos en sus análisis; la gran esperanza es que todas ellas tengan un origen común; pues si todas ellas apuntaran hacia la misma explicación, su combinación permitiría que ésta alcanzara una gran significación estadística. Sin embargo, no se puede descartar que no tengan ninguna relación entre sí, en cuyo caso habrá que explorarlas una a una, poco a poco, en el LHC Run 3 y el futuro HL-LHC. Para los resultados de este último habrá que esperar hasta mediados de los 2030. Sin lugar a dudas nos esperan lustros, sino décadas, apasionantes; pero nunca se puede descartar una sorpresa mayúscula a corto plazo.

Esta pieza está inspirada en el artículo de Dario Buttazzo, Paride Paradisi, «Probing the muon g-2 anomaly at a Muon Collider,» arXiv:2012.02769 [hep-ph] (04 Dec 2020), y en la charla de Paride Paradisi, «Probing the muon g-2 anomaly at a Muon Collider,» 5th Muon Collider Physics Potential Meeting (05 Mar 2021) [indico]. A nivel divulgativo recomiendo la pieza de Davide Castelvecchi, «Long-awaited muon physics experiment nears moment of truth,» Nature 592: 17-18 (30 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00833-2.

En este blog recomiendo la lectura de «El momento magnético anómalo del muón», LCMF, 28 may 2013; y «El momento anómalo del muón y el traslado del experimento E821 del BNL al Fermilab», LCMF, 21 may 2011.

[PS 05 abr 2021] Recomiendo la pieza de Tommaso Dorigo, «Lattice QCD Calculations Disprove Anomaly In Muon Gyromagnetic Ratio,» AQDS, 04 Mar 2020; su título es más rotundo que su contenido (the new «result —if proven correct…»). [/PS]

[PS 07 abr 2021] También En-Hung Chao, Renwick J. Hudspith, …, Konstantin Ottnad, «Hadronic light-by-light contribution to (g−2)μ from lattice QCD: a complete calculation,» arXiv:2104.02632 [hep-lat] (06 Apr 2021), que realiza una nueva estimación teórica basada en LQCD que solo reduce la desviación del resultado de BNL de 3.7 a 3.5 sigmas. [/PS]

La explicación más «natural» de la anomalía en el momento magnético anómalo del muón es nueva física en la escala eletrodébil, ya que ∆a ≈ m²/v², donde m es la masa del muón y v es la energía del vacío del campo de Higgs (v = 246.22 GeV). Se trataría de una nueva partícula con una masa entre decenas y cientos de GeV/c² que también podría explicar el problema de la jerarquía, ofrecer un candidato WIMP a la materia oscura. Tras una intensa búsqueda en los últimos 30 años mediante LEP, Tevatron y LHC podemos descartar esta explicación «natural» y debemos recurrir a otras explicaciones.

Una posibilidad es una nueva partícula menos masiva, asociada a una escala de energía Λ ≲ 1 GeV. Pero como no se ha observado en los últimos cincuenta años, tendría que estar muy desacoplada del modelo estándar y se requeriría un ajuste fino que desagrada a muchos físicos. Por ello, la posibilidad más realista es una partícula mucho más masiva, asociada a la escala de energía Λ ≫ 1 TeV. En una teoría efectiva, el lagrangiano genérico tendrá la forma mostrada en la figura (omito otras posibilidades), donde H es el campo de Higgs y Fµν es el tensor electromagnético; como resultado se esperaría ∆a ≈ m v/Λ² Cµ, (donde la Cµ es la constante de acoplamiento).

De nuevo tenemos dos opciones. Si la nueva partícula interaccionara fuertemente con el modelo estándar, es decir, si Cµ tuviera un valor natural Cµ ≲ 1, sería necesario que Λ > 100 TeV; una masa de cientos de TeV está más allá de lo que podremos explorar durante el siglo XXI. La otra opción es que la nueva partícula interaccionara débilmente con el modelo estándar, con Cµ ≪ 1, para que Λ ≲ 20 TeV, lo que nos permitiría soñar con su descubrimiento durante el siglo XXI. Por supuesto, estaría más allá del alcance del LHC y del HL-LHC, cuyas colisiones a 14 TeV c.m. solo podrían desvelar nuevas partículas con masas ≲ 5 TeV/c². Así que, hasta más allá de 2050, solo podemos soñar con indicios indirectos de la existencia de la nueva partícula. Por cierto, no te confundas, cuando he puesto «fuertemente» (strongly) y «débilmente» (weakly) no estoy haciendo referencia a las interacciones fuerte y débil, sino al significado cotidiano de las palabras fuerte y débil.

El colisionador ideal para desvelar la nueva partícula sería un colisionador de muones (Muon Collider); una nueva partícula que se pudiera observar en colisiones muón contra antimuón con una energía de 14 TeV c.m. solo estaría al alcance de un colisionador de protones que alcanzara 100 TeV c.m. El canal de desintegtración más prometedor sería µ+ µ → h γ, con h → ℓ+ γ, si la masa de la nueva partícula fuera de unos ≈ 30 TeV/c². En caso de que la masa fuera de unos ≈ 8 TeV/c², lo que requeriría un ajuste fino en la constante de acoplamiento Cµ, se podrían usar los canales µ+ µ → Zh, y µ+ µ → tt; te repito, por si acaso, que una partícula con una masa ≈ 8 TeV/c² está más allá de lo observable en el LHC y el HL-LHC con colisiones a 14 TeV c.m.

Te recuerdo que en la teoría relativista de Dirac el momento magnético de un fermión de espín 1/2 es exactamente g=2; sin embargo, en electrodinámica cuántica resulta que el vacío del campo electromagnético altera este valor dando lugar al momento magnético anómalo, que se suele escribir como g–2 (es decir, es anómalo porque se diferencia de 2). El experimento Muon g−2 (o E989) del Fermilab es un acelerador circular de 15 metros de diámetro en el que se inyectan muones. Bajo un intenso campo magnético cuyo eje norte-sur está en rotación se provoca que el espín (momento magnético intrínseco) del muón también rote (realice un movimiento de precesión, como un trompo). La medida de cuánto rota por cada vuelta en el anillo permite determinar el momento magnético del muón y estimar su momento magnético anómalo.

Los lectores habituales de este blog se preguntarán: ¿qué raro, si Francis siempre pone los pies sobre la tierra ante este tipo de anomalías? Para contentarles no me queda otro remedio que recordar que la anomalía podría tener su origen en el cálculo teórico, es decir, que estamos calculando mal la predicción del modelo estándar y que cuando se realiza el cálculo correctamente se obtiene un valor compatible con el resultado experimental observado. Así lo indica un artículo reciente que ha reevaluado la contribución el vacío QCD (los gluones virtuales) en el cálculo usando simulaciones con QCD en el retículo (LQCD, por Lattice QCD); su nuevo resultado rebaja la discrepancia a entre 1.8 y 2.4 sigmas. Si otros grupos que trabajan en LQCD confirman esta conclusión podría acabar ocurriendo lo mismo que con el radio de carga del protón (que no oculta nueva física). El nuevo artículo es Sz. Borsanyi, Z. Fodor, …, L. Varnhorst, «Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD,» arXiv:2002.12347 [hep-lat] (27 Feb 2020); quizás no tendría que haber dicho nada hasta después del 7 de abril, pues no quiero que la expectación decrezca.

En resumen, no te pierdas el anuncio del próximo 7 de abril. Si la anomalía sobreviviera hasta, pongamos 2030, habría alcanzando más de cinco sigmas con dos experimentos, E989 en el Fermilab y el futuro E34 en el J-PARC (que empezará a tomar datos en 2024). Quizás estos experimentos podrían optar a un Premio Nobel de Física. Aún así, para desvelar la naturaleza y propiedades de la nueva partícula sería necesario esperar hasta más allá de 2050. El galardón se podría adelantar si resultara que las otras anomalías asociadas a muones observadas en el LHC parecen tener el mismo origen, algo que podríamos saber alrededor de 2030. Sin lugar a dudas, esta década de los 2020 promete ser apasionante en física de partículas.



4 Comentarios

  1. Hola Francis. Este nuevo calculo de g-2 que citas en tu articulo, como es posible que hayan conseguido un resultado diferente al que se llego en el consenso publicado en Junio de 2020 por una comunidad de muchisimos autores?

    A que resultado se debe prestar mas atencion?

    1. Javier, el nuevo resultado debe ser considerado provisional, pues debe ser confirmado por estudios independientes; por ahora es más confiable el que citas. ¿Por qué un año después? Porque se sigue trabajando en nuevas estimaciones.

      En cualquier caso, quizás te interese leer a Tommaso Dorigo, «Lattice QCD Calculations Disprove Anomaly In Muon Gyromagnetic Ratio,» AQDS, 04 Mar 2020; te recuerda que el valor de consenso que citas se calculó sumando diagramas de Feynman, es decir, con la corrección de QCD en régimen perturbativo; la aplicación de LQCD, es decir, QCD en régimen no perturbativo, ha ido avanzando poco a poco, reduciendo su error hasta alcanzar este último resultado. Como indica Dorigo, se requiere una extrapolación de volumen finito (el calculado) a volumen infinito (el necesario); en Física, siempre que se extrapola se inventa (solo los expertos en LQCD y en QCD pueden evaluar si la extrapolación tiene visos de ser correcta, pero extrapolaciones similares son habituales en LQCD).

  2. Jajaja «Los lectores habituales de este blog se preguntarán: ¿qué raro, si Francis siempre pone los pies sobre la tierra ante este tipo de anomalías?» muy bueno Francis jaja. Bueno a esperar a ver como evoluciona este asunto muy interesante.

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