Una partícula esquiva puede apuntar a una física no descubierta

El muón es una partícula diminuta, pero tiene el potencial gigante de cambiar nuestra comprensión del mundo subatómico y revelar un tipo de física fundamental no descubierto.
Esa posibilidad parece cada vez más probable, según los resultados iniciales de una colaboración internacional, organizada por el Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de EE. UU., Que involucró contribuciones clave de un equipo de Cornell dirigido por Lawrence Gibbons, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias.
La colaboración, que reunió a 200 científicos de 35 instituciones en siete países, se propuso confirmar los hallazgos de un experimento de 1998 que sorprendió a los físicos al indicar que el campo magnético de los muones se desvía significativamente del Modelo Estándar, que se utiliza para explicar las leyes que gobiernan las partículas fundamentales.
Los módulos del digitalizador se someten a pruebas en el laboratorio de Lawrence Gibbons, profesor de física, antes de ser enviados al Laboratorio Nacional del Acelerador de Fermi. Se instalaron veintiocho cajas de estos módulos alrededor del anillo muon g-2.
"La pregunta era, ¿qué está pasando? ¿El experimento estuvo mal? ¿O la teoría está incompleta?" Dijo Gibbons. "Y si la teoría es incompleta, confirmar lo que está sucediendo se convierte en la primera evidencia terrestre de un tipo totalmente nuevo de partícula fundamental o fuerza que no conocemos. Sería el primer experimento en la Tierra que es una especie de equivalente del descubrimiento de la materia oscura en el espacio ".
El 7 de abril, el equipo confirmó que los hallazgos originales eran correctos, lo que significa que debe haber más en la física que rodea al muón de lo que se sabía anteriormente.

Los muones son como electrones pero son más de 200 veces más masivos. Ambos son esencialmente pequeños imanes con su propio campo magnético. Sin embargo, los muones son mucho más inestables y se descomponen en unas pocas millonésimas de segundo. También son notoriamente difíciles de observar en el nivel de la mecánica cuántica porque el vacío en el que existen no es una gran cavidad vacía, sino más bien un entorno dinámico, burbujeante y espumoso.
"Es su versión de espuma de capuchino del vacío, donde hay partículas virtuales que aparecen y desaparecen todo el tiempo", dijo Gibbons. "Y eso resulta afectar la fuerza del campo magnético de un muón".
Para averiguar por qué, los investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven hace 20 años se propusieron medir la fuerza absoluta del campo magnético del muón. Lo hicieron disparando un haz de muones en un anillo magnético de 14 metros de diámetro a casi la velocidad de la luz mientras una serie de detectores capturaban datos. Los científicos descubrieron una gran discrepancia en el campo magnético del muón: era más de 3,5 desviaciones estándar del modelo estándar predicho por los físicos teóricos.
Finalmente se ideó un plan para repetir el experimento de Brookhaven con mayor precisión. En 2013, el anillo magnético de Brookhaven se transportó a las instalaciones de Fermilab en Batavia, Illinois, donde se combinó con un acelerador de partículas aún más fuerte que podría producir más de 20 veces la cantidad de muones. En 2018, se lanzó la primera de varias ejecuciones experimentales.
Este experimento de muón g-2 – "g" se refiere al valor de la fuerza del imán causado por su giro intrínseco, que es un poco más grande que dos – fue exitoso gracias a un sistema de detectores desarrollado a través de una asociación conjunta entre Cornell y el Universidad de Washington.

El grupo de la Universidad de Washington construyó un conjunto de 24 calorímetros a partir de cristales de fluoruro de plomo y fotomultiplicadores de silicio que miden una luz azul, conocida como radiación de Cherenkov, que se produce cuando los positrones de la desintegración de muones golpean los cristales. Al medir el tiempo y la cantidad de luz para cada uno de aproximadamente 8 mil millones de positrones, los investigadores pueden determinar la tasa de precesión del muón, que es la frecuencia de su oscilación rotacional. La tasa está directamente relacionada con el valor de g-2.
El equipo de Cornell construyó los digitalizadores que podían mirar la señal electrónica que sale de los detectores y crear una versión digitalizada de la forma de onda que podría analizarse sin conexión. Los investigadores fueron apoyados en el esfuerzo por el Laboratorio de Física de Partículas Elementales (LEPP), y sus digitalizadores incorporaron $ 200,000 en chips convertidores de analógico a digital especializados donados por Texas Instruments.
El grupo de Gibbons también construyó uno de los dos paquetes de reconstrucción que ayudaron a sus colaboradores a analizar y analizar los datos recopilados, y David Rubin, profesor emérito de física (A&S) de Boyce D. McDaniel, les ayudó a obtener las mediciones más precisas. que ayudó a corregir la propagación de los momentos de muones en el haz almacenado y el pequeño movimiento vertical a medida que el haz acelera alrededor del anillo magnético. Otros dos profesores de Cornell, Toichiro "Tom" Kinoshita, profesor emérito de física, y G. Peter Lepage, el profesor de física Goldwin Smith, ambos en A&S, contribuyeron a la predicción del modelo estándar de g-2, con lo que el proyecto comparó su resultados.
Como toque final apropiado, Gibbons eligió hacer que la placa frontal del digitalizador sea roja Cornell.
Con tanta información subatómica que examinar, seis grupos diferentes trabajaron para confirmar por separado la frecuencia de precesión del muón. Gibbons ayudó a diseñar un software de cegamiento que garantizaría que los grupos hicieran sus cálculos de forma independiente.
Entonces llegó el momento de comparar los resultados.
"Debo decir que fue estresante. Entras en la habitación y hay todos estos puntos dispersos por todas partes de todas las compensaciones, y tienes que decidir, está bien, ¿vamos a comparar los resultados ahora? Y ellos estarán de acuerdo? " Dijo Gibbons. "Estábamos tratando de medir algo a 500 partes por mil millones. El rango que teníamos era más o menos 25 partes por millón en las frecuencias que estamos tratando de medir. Hubo un gran suspiro de alivio cuando descubrimos que todo estaba de acuerdo. . "
¿Y cuando todos los colaboradores internacionales se reunieron en línea para el desenmascaramiento final de la medición del campo magnético y lo compararon con el resultado original de Brookhaven?
"Oh, hombre. Era como sombreros volando en el aire", dijo Gibbons. "Fue una combinación de júbilo y alivio".
Los resultados de esta primera ejecución experimental representan solo el 6% de los datos que los investigadores esperan recopilar finalmente. Ya se han iniciado análisis adicionales en una segunda y tercera ejecución, que generarán de tres a cuatro veces más datos. Pasarán 10 años antes de que se complete todo el análisis.
"Aterrizamos justo encima de este resultado que realmente podría indicar que está sucediendo algo totalmente nuevo. Realmente queremos impulsar la incertidumbre, la precisión, para hacer la declaración más fuerte posible que podamos experimentalmente", dijo Gibbons, quien comenzó a trabajar sobre el proyecto en 2011. "Es posible que estemos en algo realmente profundo, algo que no entendemos. Y todavía tenemos que averiguar qué es".

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