Muon g-2 duplica sus últimas mediciones y explora territorios inexplorados en busca de nueva física

Los físicos ahora cuentan con una medida completamente nueva de la propiedad del muón llamada momento magnético anómalo, que mejora la precisión de sus resultados anteriores en un factor de 2.

Una colaboración internacional de científicos que trabajan en el experimento Muon g-2 en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. anunció la tan esperada medición actualizada el 10 de agosto. Este nuevo valor refuerza el primer resultado que anunciaron en abril de 2021 y determina el desenlace. Un enfrentamiento entre teoría y experiencia de 20 años de gestación.

«Realmente estamos explorando nuevos territorios. Estamos determinando el momento magnético del muón con mayor precisión que nunca antes». dijo Brendan Casey, científico senior del Fermilab que ha trabajado en el experimento Muon g-2 desde 2008.

Los físicos describen cómo funciona el universo en su nivel fundamental mediante una teoría conocida como modelo estándar. Al hacer predicciones basadas en el modelo estándar y compararlas con resultados experimentales, los físicos pueden descubrir si la teoría está completa o si hay física fuera del modelo estándar.

Los muones son partículas fundamentales que se parecen a los electrones pero son unas 200 veces más masivas. Al igual que los electrones, los muones tienen un pequeño imán interno que, en presencia de un campo magnético, se mueve u oscila como el eje de una peonza giratoria. La velocidad de precesión en un campo magnético determinado depende del momento magnético del muón, que suele estar representado por una letra gramo; En el nivel más simple, la teoría predice esto. gramo Debe ser igual a 2.

la diferencia gramo De 2 – o gramo -2 – Puede atribuirse a las interacciones del muón con las partículas de la espuma cuántica que lo rodea. Estas partículas aparecen y desaparecen y, como «compañeros de baile» subatómicos, agarran la «mano» del muón y cambian la forma en que el muón interactúa con el campo magnético. El modelo estándar incluye todas las partículas conocidas de «compañeros de baile» y predice cómo cambiará la espuma cuántica gramo. Pero puede haber más. Los físicos están entusiasmados con la perspectiva de partículas aún no descubiertas que aporten valor G-2 – Y abrirá la ventana para explorar nueva física.

El nuevo resultado experimental, basado en los datos de los primeros tres años, anunciado por la colaboración Muon g-2 es:

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (estadísticas) +/- 0,00000000019 (sistema)

La medición g-2 corresponde a una precisión de 0,20 ppm. La colaboración Muon g-2 describe el resultado en un artículo que presentaron hoy Cartas de revisión física.

Con esta medida, la colaboración ya ha alcanzado su objetivo de reducir un tipo particular de incertidumbre: la incertidumbre causada por fallas experimentales, conocida como incertidumbre metodológica.

«Esta medición es un logro experimental increíble». dijo peter winter, portavoz de la cooperación muon g-2. «Reducir la incertidumbre sistémica a este nivel es un gran logro y algo que no esperábamos lograr tan pronto».

Si bien la incertidumbre metodológica total ya ha excedido el objetivo de diseño, el mayor aspecto de la incertidumbre (la incertidumbre estadística) está impulsado por la cantidad de datos analizados. El resultado de hoy añade dos años adicionales de datos al primer resultado. El experimento Fermilab alcanzará la máxima incertidumbre estadística una vez que los científicos incorporen los datos de los seis años en su análisis, que la colaboración pretende completar en los próximos dos años.

Para realizar la medición, el equipo de Muon g-2 envió repetidamente un haz de muones a un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 50 pies de diámetro, donde giró unas 1.000 veces a casi la velocidad de la luz. Los detectores que recubren el anillo permitieron a los científicos determinar qué tan rápido se movían los muones. Los físicos también deben medir con precisión la fuerza del campo magnético para determinar el valor de g-2.

El experimento Fermilab reutilizó un anillo de almacenamiento diseñado originalmente para el experimento anterior Muon g-2 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía, que finalizó en 2001. En 2013, la colaboración trasladó el anillo de almacenamiento a 3200 millas de Long Island, Nueva York, a Batavia, Illinois. Durante los siguientes cuatro años, la colaboración sintetizó la experiencia utilizando técnicas, herramientas y simulaciones mejoradas. El objetivo principal del experimento Fermilab es reducir la incertidumbre en g-2 en un factor de cuatro en comparación con el resultado de Brookhaven.

«Nuestra nueva medición es muy interesante porque nos lleva más allá de la sensibilidad de Brookhaven». dijo Graziano Venanzoni, profesor de la Universidad de Liverpool afiliado al Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear en Pisa, y copresidente del experimento Muon g-2 en Fermilab.

Además del conjunto de datos más amplio, esta última medición de g-2 se ha mejorado con actualizaciones del propio experimento Fermilab. «Mejoramos muchas cosas entre nuestro primer año de recopilación de datos y el segundo y tercer año». dijo Casey, quien recientemente completó su mandato como copresidente de Finanzoni. «Estábamos constantemente mejorando la experiencia».

El experimento estuvo «a toda máquina» durante los últimos tres años de recopilación de datos, que finalizó el 9 de julio de 2023. Fue entonces cuando la colaboración apagó el rayo de muones, concluyendo el experimento después de seis años de recopilación de datos. . Alcanzaron el objetivo de recopilar un conjunto de datos 21 veces mayor que el conjunto de datos de Brookhaven.

Los físicos pueden calcular los efectos de las conocidas «compañeras de baile» del modelo estándar sobre el muón g-2 con una precisión increíble. Los cálculos tienen en cuenta las fuerzas electromagnéticas, nucleares débiles y nucleares fuertes, incluidos fotones, electrones, quarks, gluones, neutrinos, bosones W y Z y el bosón de Higgs. Si el modelo estándar es correcto, esta predicción altamente precisa debería coincidir con la medición experimental.

Calcular la predicción del modelo estándar para el muón g-2 es muy difícil. En 2020, la Iniciativa Teórica del Muón g-2 anunció la mejor predicción del modelo estándar para el Muón g-2 disponible en ese momento. Pero una nueva medición experimental de los datos que alimentan la predicción y un nuevo cálculo basado en un enfoque teórico diferente, la teoría del calibre de red, entran en conflicto con los cálculos de 2020. Los científicos de la Iniciativa de Teoría Muon g-2 pretenden tener una predicción nueva y mejorada disponible en el los próximos dos años que tenga en cuenta ambos enfoques.

La colaboración Muon g-2 involucra a casi 200 científicos de 33 instituciones en siete países, y hasta ahora cuenta con casi 40 estudiantes que han obtenido títulos de doctorado basados ​​en su trabajo en el experimento. Los colaboradores pasarán ahora los próximos dos años analizando los datos de los últimos tres años. «Esperamos otro factor de precisión cuando hayamos terminado». Dijo Venanzoni.

La colaboración espera lanzar la medición final y más precisa del momento magnético del muón en 2025, lo que conducirá al enfrentamiento final entre la teoría del Modelo Estándar y el experimento. Hasta entonces, los físicos cuentan con una medición nueva y mejorada del muón g-2, que es un paso importante hacia su objetivo final de la física.

El experimento Muon g-2 regresa con una nueva medición de resoluciónJuega