Una investigación dilucida una cuestión clave de la física de partículas

El resultado de este estudio en el cual se identifica el origen de la divergencia en las previsiones recientes del momento magnético del muon puede aportar a la prospección de los efectos de una nueva física que incluya a la materia oscura

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El momento magnético es una magnitud que cuantifica la interacción de una partícula dotada de espín con un campo magnético, como el de un imán. Así como la masa y la carga eléctrica, el momento magnético es una de las magnitudes fundamentales de la física. Existe una diferencia entre el valor teórico del momento magnético del muon, una partícula que pertenece al mismo tipo que el electrón, y los valores obtenidos en los experimentos de altas energías, realizados en los aceleradores de partículas. Dicha diferencia solamente aparece en la octava cifra decimal, pero ha venido intrigando a los científicos desde 1948, cuando se la descubrió. Y no se trata de un detalle, pues la misma puede indicar que el muon interactúa con partículas de materia oscura, con otros bosones de Higgs o incluso que existan fuerzas implicadas en el proceso distintas a las conocidas.

El valor teórico del momento magnético del muon, representado por la letra “g”, obtenido a partir de la ecuación de Dirac –formulada por el físico inglés Paulo Dirac (1902-1984), ganador del Premio Nobel de Física en el año 1933, y uno de los fundadores de la mecánica cuántica y de la electrodinámica cuántica–, es igual a 2. Pero actualmente sabemos que g no es exactamente igual a 2 y, por eso mismo, existe un gran interés en entender “g-2”, es decir, la diferencia existente entre el valor experimental y el valor previsto en la ecuación de Dirac. El mejor valor experimental disponible actualmente, obtenido con una precisión impresionante en el Fermilab, el Fermi National Accelerator Laboratory, en Estados Unidos, y dado a conocer en agosto de 2023, es 2,00116592059, más menos (±) 0,00000000022. Puede accederse a la información referente al experimento realizado en el Fermilab, denominado “muon g-2” en este enlace: muon-g-2.fnal.gov/.

“La determinación precisa del momento magnético del muon se ha convertido en una cuestión central de física de partículas, pues la investigación de ese intervalo entre los datos experimentales y las previsiones de la teoría puede suministrarnos información que nos lleve al descubrimiento de algún efecto nuevo y espectacular”, le dice a Agência FAPESP el físico Diogo Boito, docente del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP).

El investigador y sus colaboradores acaban de publicar un estudio al respecto en Physical Review Letters.

“Presentamos nuestros resultados en dos importantes eventos internacionales. Primero lo hice yo en un workshop que se concretó en Madrid, España. Y luego mi colega Maarten Golterman, de la San Francisco State University, en un encuentro realizado en Berna, Suiza”, comenta Boito.

Estos resultados cuantifican y señalan el origen de una discrepancia entre ambos métodos utilizados en las actuales previsiones de g-2. Y el investigador lo detalla: “Existen actualmente dos métodos para determinar un componente fundamental de g-2. El primero se basa en datos experimentales. El segundo lo hace en simulaciones computacionales de la cromodinámica cuántica (quantum chromodynamics o QCD, en inglés), la teoría que estudia las interacciones fuertes entre los cuarks. Ambos métodos generan resultados bastante distintos y esto constituye un gran problema. Sin resolverlo, se hace imposible investigar los aportes de eventuales partículas exóticas en el resultado de g-2: de nuevos bosones de Higgs o de materia oscura, por ejemplo,”.

En el estudio se logró explicar tal discrepancia. Pero para entender esto es necesario retroceder algunos pasos y recomenzar con una descripción un poco más pormenorizada del muon.

El muon es una partícula que pertenece al tipo de los leptones, el mismo del electrón. Pero tiene una masa mucho mayor. A causa de ello, no es estable y sobrevive tan solo durante lapsos de tiempo cortísimos en contextos de altas energías. Cuando interactúan entre sí, en presencia de campos magnéticos, los muones se desfiguran y se refiguran para hacer presentes una gran cantidad de otras partículas: electrones, positrones, bosones W y Z, bosones de Higgs, fotones, etc. De este modo, en los contextos experimentales, el muon siempre aparece acompañado por una miríada de partículas virtuales. Las contribuciones de esas partículas hacen que el momento magnético efectivo que se mide en los experimentos sea mayor que el momento magnético teórico igual a 2 calculado en la ecuación de Dirac.

“Para obtener tal diferencia [g-2], es necesario tener en cuenta todos esos aportes. Tanto los que prevé la cromodinámica cuántica [que compone el modelo estándar de la física de partículas] como otros efectos menores, pero que aparecen en mediciones experimentales sumamente precisas. Y conocemos muy bien varias de esas contribuciones. Pero no todas”, afirma Boito.

Los efectos derivados de la interacción fuerte no pueden calcularse tan solo teóricamente, pues esos cálculos de la cromodinámica cuántica son impracticables en algunos regímenes de energía. Así las cosas, existen dos posibilidades. Una de ellas, que ya posee un peso histórico, consiste en recurrir a los datos experimentales obtenidos en las colisiones de electrones con positrones, que generan otras partículas formadas por cuarks. La otra, que se volvió competitiva recién en la década de 2020, consiste en simular el proceso en supercomputadoras con base en la teoría. Se trata de la denominada “QCD en la red”.

“El problema central de la previsión de g-2 hoy en día reside en que el resultado que se obtiene utilizando los datos de las colisiones electrón-positrón están en desacuerdo con el resultado experimental total, mientras que los resultados basados en la QCD en la red coinciden muy bien con el experimento. Y nadie sabía a ciencia cierta por qué sucedía eso. Nuestro estudio aclara en parte este rompecabezas”, comenta Boito.

Fue precisamente para resolver este problema que él y sus colaboradores llevaron a cabo el mencionado estudio. “El actual artículo es el resultado de una serie de trabajos nuestros en los cuales desarrollamos un nuevo método para comparar los resultados de simulación de red con los obtenidos con base en los datos experimentales. Demostramos que es posible extraer de los datos aportes que se calculan en la red con suma precisión: la contribución de los denominados diagramas de Feynman conectados”, informa el investigador.

En este punto, se hace necesario abrir un pequeño paréntesis para decir que los diagramas de Feynman, creados a finales de la década de 1940 por el físico estadounidense Richard Feynman (1918-1988), ganador del Premio Nobel de Física en el año 1965, son representaciones gráficas que se utilizan para describir las interacciones entre las partículas y simplificar los respectivos cálculos.

“En el presente estudio, hemos obtenido por primera vez, y con gran precisión, los aportes de los diagramas de Feynman conectados en la llamada ‘ventana intermedia de energía’. Ahora contamos entonces con ocho resultados para esas contribuciones, obtenidos mediante simulaciones de QCD en la red, y todos ellos coincidentes entre sí. Y demostramos que los resultados provenientes de los datos de la interacción electrón-positrón no coinciden con esos ocho resultados de las simulaciones”, afirma Boito.

Según el investigador, eso hace posible entender dónde reside el problema y cuáles serían las posibles soluciones del mismo. “Quedó claro que, si los datos experimentales para el canal de dos piones [mesones, es decir, partículas formadas por un cuark y un anticuark, producidas en colisiones de alta energía] han sido subestimado por alguna razón, puede ser ésta la causa de la discrepancia”, resume. En efecto, datos nuevos, aún en proceso de revisión por pares, del Experimento CMD-3, realizado en la Universidad de Novosibirsk, en Rusia, parecen indicar que los datos más antiguos del canal de dos piones podrían haber sido subestimados por alguna razón.

Todo el trabajo a cargo de Boito en este estudio se concretó en el marco de su proyecto intitulado “Pruebas del modelo estándar: QCD de precisión y g-2 del muon”, contemplado con una Ayuda de Investigación Jóvenes Investigadores Etapa II de la FAPESP.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Data-driven determination of the light-quark connected component of the intermediate-window contribution to the muon g-2 en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.251803.