Muon g−2 del Fermilab incrementa a 4.2 sigmas la desviación en el momento magnético anómalo del muón

Por Francisco R. Villatoro, el 7 abril, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 16

Se confirma la gran noticia que todo el mundo esperaba hoy: el experimento Muon g−2 en el Fermilab (FNAL)confirma la anomalía observada por BNL en 2001 a 2.7 sigmas, que creció a 3.7 sigmas gracias a mejoras en la estimación teórica, y, más aún, incrementa su significación estadística hasta 4.2 sigmas (combinando el nuevo resultado a 3.3 sigmas con el anterior a 3.7 sigmas). El nuevo resultado para el momento magnético (combinando los datos de FNAL y BNL) es g = 2.00233184122(82), a comparar con la predicción teórica de consenso (junio 2020) de gSM = 2.00233183620(86); o si lo prefieres, se mide una anomalía en el momento magnético de a = (g−2)/2 = 0.00116592061(41), a comparar con el valor teórico aSM = 0.00116591810(43). ¿Significa este resultado que hay nueva física más allá del modelo estándar? No, todavía no. Lo primero, aún no se superan las cinco sigmas. Y, lo segundo, han surgido ciertas dudas sobre la evaluación teórica (la contribución QCD es difícil de calcular hasta el extremo). En los próximos años se espera un enorme esfuerzo teórico para confirmar y/o mejorar la predicción teórica. Solo entonces se podrá afirmar que estamos ante la primera señal de física más allá del modelo estándar.

El experimento E821  en el BNL (Brookhaven National Laboratory) fue trasladado desde Long Island (New York) hasta Batavia (Chicago) para transformarse en el experimento E989. Usando los colisionadores del Fermilab se podía incrementar el número de muones en un factor de 20, lo implica una reducción en la incertidumbre en un factor de 4. Por supuesto, este es el objetivo del experimento E989 que publicará cinco resultados tras cinco tandas (run) de recopilación de datos; los primeros resultados publicados hoy corresponden al primer run (15 semanas en la primavera de 2018), más o menos, al 6 % del total de datos que se espera acumular. Por cierto, el segundo run está siendo analizado y el tercer run está en curso. El objetivo final es alcanzar 7 sigmas de significación para la anomalía, pero dicho número dependerá de cómo mejoren las estimaciones teóricas.

La presentación del nuevo resultado se ha realizado vía Zoom y YouTube; disfruta de este vídeo. Más información en Tracy Marc, «First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics,» News, Fermilab, 07 Apr 2021. También recomiendo leer a Natalie Wolchover, «‘Last Hope’ Experiment Finds Evidence for Unknown Particles,» Quanta Magazine, 07 Apr 2021.

Los artículos son Muon g−2 Collaboration, «Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm,» Physical Review Letters 126: 141801 (07 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.141801, arXiv:2104.03281 [hep-ex] (07 Apr 2021); The Muon g−2 Collaboration, «Magnetic-field measurement and analysis for the Muon g−2 Experiment at Fermilab,» Physical Review A 103: 042208 (07 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.042208, arXiv:2104.03201 [hep-ex] (07 Apr 2021); Muon g−2 Collaboration, «Measurement of the anomalous precession frequency of the muon in the Fermilab Muon g−2 Experiment,» Physical Review D 103: 072002 (07 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.103.072002, arXiv:2104.03247 [hep-ex] (07 Apr 2021); y Muon g−2 Collaboration, «Beam dynamics corrections to the Run-1 measurement of the muon anomalous magnetic moment at Fermilab,» Physical Review Accelerators and Beams (accepted), arXiv:2104.03240 [physics.acc-ph] (07 Apr 2021). Un resumen divulgativo en Priscilla Cushman, «Muon’s Escalating Challenge to the Standard Model,» Physics 14: 54 (07 Apr 2021) [enlace]; y en Michael Schirber, «Measuring the Magnet that Measures the Muon,» Physics 14: 53 (07 Apr 2021) [enlace].

[PS 09 abr 2021] Hay muchas piezas en blogs de Física sobre este resultado, por ejemplo: Adam Falkowski (Jester @Resonaances), «Why is it when something happens it is ALWAYS you, muons?» Résonaances, 08 Apr 2021; Peter Woit, «Muon g-2 Result,» Not Even Wrong, 07 Apr 2021; Tommaso Dorigo, «New Muon G-2 Results!» AQDS, 07 Apr 2021; Luboš Motl, «FNAL: Combined muon g−2 discrepancy grows to 4.2 sigma,» TRF, 07 Apr 2021; etc. [/PS]

En el experimento Muon g−2 del Fermilab se usa la misma técnica de medición que en el experimento del BNL. A un ritmo de 12 Hz se inyectan muones con un momento lineal de 3.094 GeV/c en un anillo de almacenamiento circular de 14.224 metros de diámetro y 44.69 metros de longitud; el anillo está rodeado de cuadripolos que enfocan los muones para que sigan una trayectoria circular. En reposo, la vida media de un muón es de 2.2 μs, pero con este momento los muones la incrementan en γ ~ 29.3 veces hasta alcanzar ~64.4 μs. En el anillo los muones se desintegran en un positrón (o antielectrón), un neutrino electrónico y un antineutrino muónico; los positrones son detectados por una serie de detectores de silicio para determinar sus trayectorias y de calorímetros electromagnéticos para estimar su energía. Cada inyección tiene una duración de 700 μs (momento en el que se han desintegrado casi todos los muones); en concreto, se inyectan unos diez mil muones, pero como los detectores tienen una eficiencia del 10.7 %, solo se observan unos mil cien muones (con energías > 1.86 GeV).

Todos los muones inyectados están polarizados con su espín alineado en la dirección de movimiento. En el centro del anillo de almacenamiento hay un campo magnético de 1.45 T producido por un imán de 680 toneladas; este campo magnético sobre el anillo es muy uniforme, variando solo entre 14 y 17 por millón (como se muestra en la figura), induciendo un movimiento de precesión de los espines de los muones. Si ocurriera que g=2 exactamente, entonces el periodo de precesión sería igual al periodo ciclotrón y el espín del muón siempre estaría alineado a su momento lineal. Sin embargo, como g > 2 se observa que el espín y el momento se desalinean y se vuelven a alinear de forma periódica; este movimiento se llama precesión anómala y tiene un periodo de unas 27 vueltas en el anillo. El momento lineal de 3.09 GeV/c, llamado «momento mágico», se ha elegido porque minimiza el efecto de los cuadripolos de enfoque sobre la precesión anómala.

Los positrones en los que se desintegran los muones se emiten de forma preferente en la dirección de su espín; la precesión anómala hace que el espectro de energía oscile con un máximo cuando el espín está alineado con el momento lineal y un mínimo cuando el desalineamiento es máximo; en los calorímetros se observará esta oscilación. Para estimar el valor g−2 se recurre al cociente de dos frecuencias, la frecuencia de la precesión anómala ωa (obtenida a partir de la respuesta de los calorímetros) y la frecuencia de precesión ω´p del campo magnético en la trayectoria de los muones (que se mide usando 17 sensores de resonancia magnética nuclear, NMR, en un tanque esférico de agua a 34.7 °C).

El cociente R´ = ωa/ω´p permite determinar la anomalía (g−2)/2; los errores logrados en el numerador y en el denominador son de 438 ppb y 56 ppb, resp. (ppb son partes por millardo), con lo que se logra un error en el anomalía de 460 ppb (0.46 ppm, o partes por millón). En la fórmula (que no explicaré) los coeficientes C en el numerador y B en el denominador indican cada una de las fuentes de error que deben ser estimadas con precisión; lograrlo es todo un alarde de los físicos experimentales.

La medida que se ha obtenido es de aμ(FNAL) = 116592040(54) × 10−11 (0.46 ppm), que se encuentra a 3.3 sigmas de la predicción del modelo estándar, además de estar en excelente acuerdo con el resultado de aμ(BNL). Combinando ambos resultados se obtiene un valor de aμ(FNAL+BNL) = 116592061(41) × 10−11 (0.35 ppm) que se encuentra a 4.2 sigmas de la predicción teórica. Que la significación crezca significa que o bien se ha calculado mal la predicción teórica o bien hay nueva física no considerada en el cálculo teórico. La primera posibilidad no se puede descartar, pues las contribuciones del vacío cromodinámico (QCD), indicada por H sobre fondo gris en la figura, son muy difíciles de calcular con precisión. Pero es la segunda posibilidad la que enciende las mentes calenturientas de los físicos teóricos, deseosos de encontrar física más allá del modelo estándar cuanto antes.



16 Comentarios

  1. La sensibilidad de un lepton a nueva fisica en estos experimentos es proporcional al cuadrado de la masa del lepton en cuestion. El muon es 200 veces mas pesado que el electron, es decir, 40 mil veces mas sensible a nueva fisica que el electron. Entonces el tau (3500 veces mas pesado) es unas 12 millones de veces mas sensible (300 veces mas sensible a su vez que el muon). ¿Qué perspectivas hay para estudiar el tau en detalle? Su vida media es ridiculamente pequeña por lo que sera muy dificil digo yo, y quiza ese 300x en sensibilidad a nueva fisica no compense el esfuerzo…

    En otra cuestion, ACME esta estudiando el edm del electron a ver si lo encuentra antes de lo que predice el SM (signos de split-SUSY etc)… Podria intentar medirse el muon dipole moment?

    Interesantes cuestiones sobre leptones

    1. Javier, el momento magnético anómalo del tauón se conoce con seis dígitos decimales (se pudo medir con LEP en el CERN) y no se ha observado ninguna anomalía respecto a las predicciones del modelo estándar. No se ha medido directamente (un experimento como el de BNL/FNAL es imposible por su corta vida media). Nota que si multiplicas la magnitud de la anomalía observada en el muón por (3500/200)^2 ~ 300, luego tendría que haber sido observada con el tauón (pero no ha sido observada).

      Por otro lado, el límite actual para el momento dipolar eléctrico del muón es ≤ 1.8 × 10⁻¹⁹ e·cm (95% CL); recuerda que para el electrón se ha obtenido ≤ 1.8 × 10⁻²⁹ e·cm (95% CL), que según el modelo estándar sería ~ 10⁻⁴⁴ e·cm, y que el cociente entre este valor para el muón y el electrón es proporcional a su cociente de masas. Se han propuesto varios experimentos para mejorar la estimación para el muón, bajando su límite entre tres y cuatro órdenes de magnitud.

  2. Lo que me gusta es la cosmología, pero este tipo de noticias realmente apasionan al ver no solamente cómo nuestras teorías son más o menos correctas sino que también puede que haya sorpresas esperando más allá de ellas.

    1. Perdón por mi ignorancia, pero no entiendo por qué debería de haber una contribución de QCD. Según entiendo, esa desintegración está mediada por interacción débil. Algún alma varitativa podría explicarmelo brevemente, por favor?

      1. Basajuan, la contribución del vacío QCD no está relacionado con la desintegración, que es vía débil. Por su carga eléctrica, el muón está acoplado al campo electromagnético, descrito por QED, cuyo vacío altera su momento magnético asociado a su espín 1/2 produciendo el momento magnético anómalo. Los fotones virtuales del vacío pueden producir pares virtuales leptón-antileptón (electrón-positrón, muón-antimuón y hasta tau-antitau, aunque este último con poca probabilidad), pero también pares virtuales quark-antiquark (up-antiup, down-antidown, strange-antistrange, charm-anticharm, e incluso bottom-antibottom, aunque este último con poca probabilidad), e incluso pares mesón-antimesón (pión-antipión, kaón-antikaón, etc.). Como los quarks y antiquarks tienen carga eléctrica (fraccionaria) influyen en el apantallamiento electromagnético debido al vacío QED polarizado. Por supuesto, la contribución de los pares virtuales quark-antiquark es muy pequeña, pero cuando hablamos de más de 9 dígitos significativos es relevante (ronda ~ 70 × 10⁻⁹).

  3. Hola Francis, leyendo esta noticia me surgió la pregunta de si no se podría aplicar la correspondencia ads/cft para hacer el calculo teorico de esta propiedad del moun como se aplicó con exito para calcular la viscosidad de un plasma de quarks y gluones, y compararla luego con el resultado experimental. gracias

    1. Pablo, la correspondencia AdS/QCD ya se usó en 2010 para estimar la contribución del vacío hadrónico al momento magnético anómalo del muón. La predicción obtenida holográficamente es a(HVP,AdS/QCD,2010) = 470 x 10⁻¹⁰, mientras el resultado experimental es a(HVP,FNAL,2021) = 720 x 10⁻¹⁰; quizás haya modificaciones más recientes que acerquen ambos valores, pero el trabajo de 2010 ha sido poco citado. [PS] En el artículo de Cappiello (2016) se cita el trabajo de 2010 y se afirma que en él se estima a(HVP) = 690 x 10⁻¹⁰ (sin embargo no aclara cómo se obtiene este valor). [/PS]

      Si te interesa puedes disfrutar de Deog Ki Hong, Doyoun Kim, and Shinya Matsuzaki, «Holographic calculation of hadronic contributions to muon g−2,» Phys. Rev. D 81: 073005 (2010), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.81.073005; Masafumi Kurachi, Shinya Matsuzaki, Koichi Yamawaki, «Gluonic effects on g−2: Holographic view,» Phys. Rev. D 88: 055001 (2013), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.88.055001; Luigi Cappiello, «What does Holographic QCD predict for anomalous (g − 2)μ?» EPJ Web of Conferences 118: 01003 (2016), doi: https://doi.org/10.1051/epjconf/201611801003; Luigi Cappiello, «Holographic approach to the light-by-light contribution to the muon (g-2),» EPJ Web of Conferences 234: 01002 (2020), doi: https://doi.org/10.1051/epjconf/202023401002.

  4. A ver como evoluciona esto de los cálculos teóricos y computacionales de las las contribuciones del vacío cromodinámico (QCD) , sobre todo con el desarrollo de la computación cuántica.

  5. Una duda sobre el campo magnético principal que causa la precesión.
    Por la foto del anillo y la inyeccion de los muones, para que haya precesión intuyo que este campo magnético
    es toroidal, osea contenido en el anillo, en esa misma dirección. ¿es esto correcto o me equivoco?

    1. Juan Carlos, así es, el anillo de almacenamiento se encuentra rodeado por imanes toroidales de unos 7 metros de diámetro que producen los 1.45 teslas que producen la precesión. Se usan cuatro bobinas magnéticas superconductoras, dos externas en el mismo tubo se sección rectangular y dos internas (superior e inferior) en sendos tubos de sección cuadrada; el tubo de muones se encuentra en medio, entre las externas y las internas (esta figura te muestra la configuración https://www.researchgate.net/publication/331259805/figure/fig1/AS:728798542721026@1550770521539/Schematic-drawn-of-the-g-2-storage-ring-cross-section-The-muon-beam-is-schematically.ppm); la configuración del campo magnético la tienes en esta figura https://www.researchgate.net/profile/Eremey-Valetov/publication/337710563/figure/fig3/AS:832826211577858@1575572650665/The-polygonal-model-of-the-cross-section-of-the-Muon-g-2-quadrupole-in-nonsymmetric-model.png .

      En esta foto tienes el imán superconductor con forma toroidal antes de ser instalado https://vms.fnal.gov/asset/detail?recid=1826972 (puedes ver las bobinas externas están dentro del tubo metálico de sección rectangular en primer plano, y las dos bobinas internas, la superior y la inferior, en los tubos de sección cuadrada más pequeños que están en segundo plano); en esta foto lo tienes tras su instalación https://vms.fnal.gov/asset/detail?recid=1828123; en la mayoría de las fotos queda oculto por la instrumentación https://vms.fnal.gov/asset/detail?recid=1950114

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