Thread by @AvelinoQuantum

En los últimos días se ha montado un gran revuelo debido a las noticias sobre una nueva medida del g-2 del muon. ¿Qué significa y qué relevancia tiene? ¿hemos roto la física? Os lo cuento en este #AvelHilo. 👇

Empecemos por el principio. ¿Qué es un muon? El muon es una partícula fundamental descubierta en 1936. Es igual en todo al electrón, salvo en su masa, que es unas 200 veces mayor. Podríamos considerarlo una “versión pesada” del electrón.

El muon no se encuentra en la materia ordinaria pero puede producirse en algunas reacciones. Forma parte de la radiación cósmica, las partículas procedentes del espacio exterior que bombardean la Tierra continuamente. Fue precisamente en esta radiación donde se descubrió el muon.

El descubrimiento del muon fue toda una sorpresa, puesto que en 1936 su existencia no era necesaria para explicar ningún fenómeno. Es famosa la reacción de Isidor Isaac Rabi y su frase “Who ordered that?” (“¿quién ha pedido eso?”)

¿Y qué es el g-2? Como sabéis, las partículas tienen un momento angular intrínseco llamado espín. Son como bolas que giran, sólo que no son bolas y no giran (joking but not joking). Gracias al espín, adquieren nuevas formas de interaccionar con los campos electromagnéticos.

Una de esas formas es el llamado momento magnético. Esta cantidad (warning: es un vector) nos dice cómo reacciona la partícula al actuar sobre ella un campo magnético… y puede ser medida experimentalmente con MUCHA (ahora veréis cuánta) precisión.

El espín (S) y el momento magnético (μ) de una partícula se relacionan por esta ecuación. q y m son su carga y su masa, respectivamente. Y os presento al protagonista de nuestra historia: el factor g. Medir el momento magnético del muon es equivalente a medir su factor g.

El espín (S) y el momento magnético (μ) de una partícula se relacionan por esta ecuación. q y m son su carga y su masa, respectivamente. Y os presento al protagonista de nuestra historia: el factor g. Medir el momento magnético del muon es equivalente a medir su factor g.

Hoy en día sabemos que g no es exactamente 2. La teoría cuántica de campos predice pequeñas correcciones, causadas por partículas virtuales que aparecen y desaparecen continuamente, modificando la forma en que el muon interacciona con el campo magnético. Y ahora viene la clave...

En la diferencia entre el factor g y 2 (es decir, en g-2) se codifica el efecto de las partículas virtuales. ¡Y en él podrían ocultarse partículas desconocidas! Medir un g-2 diferente del esperado sería una forma de percibirlas. Por eso nos interesa tanto el g-2 del muon. 😉

¿Y qué g-2 esperamos para el muon? Como sabéis, el marco teórico establecido en física de partículas es el Modelo Estándar. Dentro de este modelo podemos calcular el g-2 del muon, considerando como partículas virtuales todas las que conocemos.

Se trata de un cálculo MUY complicado. Tanto, que se hace en paralelo por grupos de científic@s diferentes para poder contrastar resultados. Recientemente, la “Muon g-2 Theory Initiative” publicó este resultado. El paréntesis indica el margen de error.

Ahora falta la segunda parte: hay que medirlo para ver si obtenemos este resultado (y por lo tanto el Modelo Estándar está OK) o uno diferente (y por lo tanto el Modelo Estándar no está tan OK). Dado el revuelo… ¿qué creéis que ha pasado?

Pues que el experimento Muon g-2, en Fermilab (Estados Unidos), acaba de anunciar sus primeros resultados. Tras analizar muy a fondo sus datos, han llegado al numerito que podéis ver en la imagen. Volved atrás un par de tuits y comparad. ¿Qué os parece?

¡Efectivamente! ¡Son distintos! Y lo más importante: los dos valores no se solapan ni siquiera dentro de sus márgenes de error. La gente del experimento Muon g-2 lo celebraría por todo lo alto. Habían descubierto un fallo en el Modelo Estándar.

Pero… vayamos más despacio… ¿estamos seguros de que han descubierto un fallo en el Modelo Estándar? ¿se han detectado efectos de nuevas partículas? Para responder a estas cuestiones hay que contar algunas cosillas más. Y es que acer la cencia es difícil.

En realidad, la anomalía en el g-2 del muon se conoce desde hace años. El experimento E821 de Brookhaven (otro laboratorio de los EEUU) ya había encontrado un valor diferente del predicho por el Modelo Estándar. Pero al ser solamente un experimento… nos quedaba la duda.

Por lo tanto, es muy importante que los dos experimentos encuentran valores muy similares. Eso nos da confianza en sus resultados. Uno podría liarla parda, meter la pata en algo y dar un resultado incorrecto, pero dos ya sería muy raro.

Tiene muy buena pinta y l@s físic@s estamos muy emocionad@s, pero hay algunos detalles importantes a tener en cuenta antes de de enterrar al Modelo Estándar. Así que... ahora vienen las “bajonas”.

La primera es que todavía no estamos 100% seguros (estadísticamente hablando) de que haya una diferencia entre teoría y medida. En física de partículas necesitamos una confianza de 5σ (1 posibilidad entre 3.5 millones de que la medida sea casualidad), y ahora estamos en 4.2σ.

Y la segunda es que el cálculo teórico en el Modelo Estándar es muy complicado y podría tener errores. En concreto, ciertas partes del cálculo son actualmente objeto de debate entre l@s expert@s. Si el valor correcto fuera un poquito más alto desaparecería la anomalía...

De hecho, uno de los equipos que se dedican a obtener el g-2 del muon encuentran un resultado mucho más cercano al experimento. El resultado del grupo BMW (con gente en Budapest, Marsella y Wuppertal) es muy controvertido y muchos dudan de él, pero ahí está...

Ahora, supongamos que la anomalía es cierta. En ese caso se ha visto… ¡nueva física! Hemos visto la patita de una o varias partículas, que aparecen de forma virtual en el momento magnético del muon. ¿Qué partículas serán? Ideas hay a porrones...

Podrían ser nuevos leptones, nuevos bosones vectoriales procedentes de nuevas interacciones de la naturaleza, bosones de Higgs adicionales, materia oscura… ¡imaginación al poder!

Yo no he podido resistirme y he planteado, junto a los grandes @pablo_escri y @BeyondStdJorge, la hipótesis de que la anomalía se debe a la presencia de nuevas partículas relacionadas con la masa del neutrino y un mecanismo llamado “seesaw inverso”. 😉

arxiv.org/pdf/2104.03705…

Por cierto, no os he contado cómo miden el factor g en el experimento Muon g-2. La verdad… es un asunto complejo y no me veo capaz. Os dejo aquí este enlace en el que @emulenews os lo cuenta excelentemente bien.

francis.naukas.com/2021/04/07/muo…

También os recomiendo leer a @Resonaances, que con su habitual sentido del humor os relata (en inglés) la historia aquí:

resonaances.blogspot.com/2021/04/why-is…

Y por supuesto, tampoco podéis perderos el cómic de Jorge Cham, aka, @PHDcomics, aquí:

physics.aps.org/articles/v14/47

Y con esto me despido. Espero que os haya resultado interesante. Hasta la próxima.

¡Que vivan por siempre los muones! ¡abajo el imperio del Modelo Estándar!

Ouch... se me ha colado un tuit repetido. Debía decir lo siguiente...

La historia del factor g es bastante interesante. Según la física clásica, g = 1. Sin embargo, Dirac descubrió en 1928 que la mecánica cuántica relativista predecía g = 2, justo el doble. Esto se deduce de la ecuación de Dirac, una de las más bellas de la historia de la física.

A los que hayan notado dos tuits seguidos iguales... sí, pequeña metida de pata. 😅

Lo he corregido auto-respondiéndome al tuit repetido.