La Quinta Fuerza del Universo: ¿qué nos demuestra el experimento muon g-2?

El experimento Muon g-2 ha abierto la puerta a la existencia de partículas subatómicas totalmente nuevas y a una quinta fuerza fundamental que desconocíamos. ¿Una revolución en la Física o un error?
Quinta fuerza Universo

La historia de la Física está llena de momentos que marcaron una revolución dentro del mundo científico. El descubrimiento de la gravedad, el desarrollo de la teoría de la relatividad de Einstein, el nacimiento de la mecánica cuántica. Todos estos sucesos marcaron un punto de inflexión. Pero, ¿y si estuviéramos presenciando un momento así a día de hoy?

A principios de 2021, el laboratorio Fermilab publicó los resultados de un experimento que estuvieron realizando desde el año 2013: el ya famoso experimento muon g-2. Un experimento que ha hecho tambalear los cimientos del modelo estándar de partículas y que podría suponer el nacimiento de una nueva Física. Una nueva forma de comprender el Universo que nos rodea.

Los muones, partículas subatómicas inestables muy similares al electrón pero más masivas, parecían interactuar con unas partículas que todavía desconocemos o estar bajo la influencia de una nueva fuerza distinta a las cuatro fundamentales que creíamos que regían el comportamiento del Cosmos.

Pero, ¿qué son los muones? ¿Por qué el experimento del Fermilab fue, es y será tan importante? ¿Qué nos muestran sus resultados? ¿Es cierto que hemos descubierto una quinta fuerza en el Universo? Prepárate para que te estalle la cabeza, porque hoy daremos respuesta a estas y otras muchas preguntas fascinantes sobre el que puede ser el inicio de un nuevo capítulo en la historia de la Física.

Las cuatro fuerzas fundamentales y el modelo estándar: ¿están en peligro?

El tema de hoy es de aquellos que te obligan a exprimir al máximo el cerebro, así que antes de empezar a hablar de muones y de la supuesta quinta fuerza del Universo, debemos poner las cosas en contexto. Y eso haremos en este primer apartado. Puede parecer que no tiene ninguna relación con el tema, pero verás que sí. Tiene toda la relación.

Años 30. Empiezan a asentarse las bases de la mecánica cuántica. Un campo dentro de la física que busca comprender la naturaleza de lo subatómico. Y es que los físicos vieron como, al cruzar la frontera del átomo, este microuniverso dejaba de estar sujeto a las leyes de la relatividad general que, creíamos, regían todo el Universo.

Cuando nos desplazamos al mundo subatómico, las reglas del juego cambian. Y nos encontramos con cosas muy extrañas: la dualidad onda-partícula, la superposición cuántica (una partícula está, de forma simultánea, en todos los lugares del espacio en los que pueda estar y en todos los estados posibles), el principio de incertidumbre, el entrelazamiento cuántico y muchas otras movidas raras.

Aun así, lo que estaba clarísimo es que teníamos que desarrollar un modelo que permitiera integrar las cuatro fuerzas fundamentales del Universo (electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte) dentro del mundo subatómico.

Y lo hicimos de una forma (que parecía) espectacular: el modelo estándar de partículas. Desarrollamos un marco teórico donde se propuso la existencia de unas partículas subatómicas que explicaran estas interacciones fundamentales. Las tres más conocidas son el electrón, el protón y el neutrón, pues son las que constituyen el átomo.

Pero luego tenemos muchas otras como los gluones, los fotones, los bosones, los quarks (las partículas elementales que dan lugar a neutrones y protones) y las partículas subatómicas de la familia de los leptones, donde, además de los electrones, se encuentran los tau y, cuidado, los muones. Pero no nos adelantemos.

Modelo estándar
Cush, Public domain, via Wikimedia Commons.

Lo importante, de momento, es que este modelo estándar sirve para explicar (más o menos) las cuatro fuerzas fundamentales del Universo. ¿El electromagnetismo? Ningún problema. Los fotones permiten explicar su existencia cuántica. ¿La fuerza nuclear débil? Los bosones W y bosones Z la explican también. ¿La fuerza nuclear fuerte? Los gluones la explican. Todo va perfecto.

Pero no te hagas muchas ilusiones. ¿La gravedad? Bueno, la gravedad no puede explicarse a nivel cuántico. Se habla de un hipotético gravitón, pero no lo hemos descubierto y tampoco se espera que lo hagamos. Primer problema del modelo estándar.

Y segundo pero no por ello menos importante problema: el modelo estándar no permite unificar la mecánica cuántica con la relatividad general. Si el mundo subatómico da lugar a lo macroscópico, ¿cómo es posible que la cuántica y la física clásica están inconexas? Todo esto debe mostrarnos cómo, el reinado del modelo estándar se tambalea, pero no porque sea incorrecto, sino porque, quizás, hay algo oculto en él que no podemos ver. Suerte que los muones nos pueden haber ayudado a abrir los ojos.

Spin, factor g y momento magnético anómalo: ¿quién es quién?

Ha llegado el momento de ponernos más técnicos y hablar de tres conceptos esenciales para entender el experimento muon g-2: el spin, el factor g y el momento magnético anómalo. Sí, suena raro. Es que es raro. Estamos en el mundo de la cuántica, así que toca abrir la mente.

El spin de una partícula subatómica: giros y magnetismo

Todas las partículas subatómicas con carga eléctrica del modelo estándar (como los electrones) tienen asociado un spin propio. Pero, ¿qué es el spin? Digamos (erróneamente pero para entenderlo) que es un giro al que se le atribuyen propiedades magnéticas. Es mucho más complejo que esto, pero para entenderlo nos basta con quedarnos que es un valor que determina cómo una partícula subatómica con carga eléctrica gira.

Sea como sea, lo importante es que este spin intrínseco a la partícula hace que esta tenga lo que se conoce como un momento magnético, que da lugar a efectos de magnetismo a nivel macroscópico. Este momento magnético de spin es, por tanto, una propiedad intrínseca a las partículas. Cada una tiene un momento magnético propio.

Spin

El factor g y los electrones

Y este valor de momento magnético depende de una constante: el factor g. ¿Ves cómo todo va tomando forma (más o menos)? De nuevo, para no complicarlo, basta con entender que es una constante específica para un tipo de partícula subatómica vinculada a su momento magnético y, por lo tanto, a su spin concreto.

Y hablemos ya de electrones. La ecuación de Dirac, una ecuación de ondas relativista formulada en 1928 por Paul Dirac, ingeniero eléctrico, matemático y físico teórico británico, predice un valor de g para el electrón de g=2. Exactamente de 2. 2,000000. Importante que te quedes con esto. Que sea 2 significa que un electrón responde a un campo magnético el doble de fuerte de lo que esperarías para una carga rotativa clásica.

Y hasta 1947, los físicos se quedaron con esta idea. Pero, ¿qué pasó? Pues que Henry Foley y Polykarp Kusch hicieron una nueva medida, viendo que, para el electrón, el factor g era de 2,00232. Una ligera (pero importante) diferencia respecto a la predicha por la teoría de Dirac. Algo extraño sucedía, pero no sabíamos qué.

Por suerte, Julian Schwinger, físico teórico estadounidense, explicó, a través de una sencilla (para los físicos, claro) fórmula, la razón de ser de la diferencia entre la medida obtenida por Foley y Kusch y la predicha por Dirac.

Y es ahora cuando nos sumergiremos en el lado más oscuro de la cuántica. ¿Recuerdas que hemos dicho que una partícula subatómica está, al mismo tiempo, en todos los sitios posibles y en todos los estados en los que pueda estar? Bien. Porque ahora va a estallar tu cabeza.

Julian Schwinger
Julian Schwinger.

El momento magnético anómalo: las partículas virtuales

Si esta simultaneidad de estados es posible (y es así) y sabemos que las partículas subatómicas se desintegran en otras partículas, esto significa que, de forma simultánea, una partícula se está desintegrando en todas las partículas que pueda hacerlo. Está, por lo tanto, rodeada de una marabunta de partículas.

Estas partículas se conocen como partículas virtuales. Por lo tanto, el vacío cuántico está lleno de partículas que aparecen y que desaparecen constante y simultáneamente alrededor de nuestra partícula. Y estas partículas virtuales, por muy efímeras que sean, influencian a nivel magnético, aunque sea de manera ínfima, en la partícula.

Las partículas subatómicas no siguen siempre el camino más obvio, siguen todos y cada uno de los posibles caminos que puedan seguir. Pero, ¿qué tiene que ver esto con el valor g y la discrepancia? Bueno, pues básicamente, todo.

En el camino más obvio (el diagrama de Feynman más simple), un electrón es desviado por un fotón. Y punto. Cuando esto sucede, aquí sí que el valor g da justo 2. Porque no hay una marabunta de partículas virtuales a su alrededor. Pero tenemos que contemplar todos los posibles estados.

Y es aquí, cuando sumamos los momentos magnéticos de todos los estados que llegamos a la desviación en el valor g del electrón. Y esta desviación causada por la influencia de la marabunta de partículas virtuales es lo que se conoce como momento magnético anómalo. Y aquí definimos por fin el tercer y último concepto.

Por lo tanto, ¿conociendo y midiendo las distintas conformaciones, podemos llegar a un valor de g para el electrón teniendo en cuenta el momento magnético anómalo y la influencia de la suma de todas las posibles partículas virtuales? Por supuesto.

Schwinger predijo un G=2,0011614. Y, posteriormente, se fueron añadiendo más y más capas de complejidad hasta llegar a un valor G=2,001159652181643 que, de hecho, se considera, literalmente, el cálculo más preciso de la historia de la física. Una probabilidad de error de 1 entre 1.000 millones. No está mal.

Íbamos muy bien, así que los físicos se propusieron hacer lo mismo con unas partículas subatómicas muy similares a los electrones: los muones. Y fue aquí cuando empezó la cuenta atrás para uno de los descubrimientos que más ha hecho tambalear la física en la historia reciente.

Partículas virtuales

Los secretos del experimento muon g-2

Años 50. Los físicos están muy contentos con su cálculo del factor g en los electrones, así que, como hemos dicho, se aventuran a hacer lo mismo con los muones. Y al hacerlo, se encontraron con algo extraño: los valores teóricos no coincidían con los experimentales. Lo que tan bien encajaba con los electrones, no lo hacía con sus hermanos mayores los muones.

¿Cómo que hermanos mayores? ¿Pero qué son los muones? Tienes razón. Hablemos de los muones. Los muones son considerados los hermanos mayores de los electrones porque no solo son de la misma familia de los leptones (junto a los tau), sino que son exactamente iguales en todas sus propiedades excepto en la masa.

Los muones tienen la misma carga eléctrica que los electrones, el mismo spin y las mismas fuerzas de interacción, solo se diferencian en que son 200 veces más masivos que ellos. Los muones son partículas más masivas que los electrones que se producen por desintegración radioactiva y que tienen una vida de solo 2,2 microsegundos. Esto es todo lo que tienes que saber.

Lo importante es que cuando, en los años 50 fueron a calcular el valor g de los muones, vieron que había discrepancias entre la teoría y la experimentación. La diferencia era muy ligera, pero lo suficiente como para sospechar que en el vacío cuántico estaba sucediendo algo con los muones que no se contemplaba en el modelo estándar.

Y en los años 90, en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, Nueva York, se siguió trabajando con los muones en un acelerador de partículas. Esperamos que se desintegren casi siempre en neutrinos (unas partículas subatómicas prácticamente indetectables) y en un electrón, que “sale” casi siempre en la dirección del “imán” que es el muon (recuerda lo del spin y el campo magnético), por lo que podemos detectarlos y reconstruir su trayectoria para así saber la precesión del muon.

La precisión hace referencia al movimiento de rotación que sufren las partículas cuando están sometidas a un campo magnético externo. Pero sea como sea, lo importante es que si el valor g del muon fuera 2, la precesión estaría perfectamente sincronizada con el giro del muon en el acelerador. ¿Vemos esto? No. Ya sabíamos, teniendo en cuenta lo del electrón y el momento magnético anómalo y que en los años 50 vimos esta discrepancia, que no veríamos esto.

Pero lo que no esperábamos (en verdad es lo que deseaban los físicos) es que a nivel estadístico, la discrepancia se hiciera más grande. En 2001 se publican sus resultados, dando una G=2,0023318404. El valor seguía sin ser estadísticamente seguro, pues teníamos una sigma de 3,7 (una probabilidad de error de 1 entre 10.000, algo no suficientemente potente) y necesitaríamos, para confirmar la desviación, una sigma de 5 (una probabilidad de error de 1 entre 3.500.000).

Estábamos casi seguros de que los muones se comportaban de una forma que rompía con el modelo estándar, pero no podíamos lanzar todavía cohetes. Por ello, en 2013, empezó un proyecto en el Fermilab, un laboratorio de física de altas energías cerca de Chicago, en el que se volvieron a estudiar los muones, ahora con instalaciones más punteras. El experimento muon g-2.

Y no fue hasta 2021 que se publicaron los resultados, los cuales, mostraron, con más solidez, que el comportamiento magnético de los muones no encajaba en el modelo estándar. Con una diferencia de 4,2 sigmas (una probabilidad de error de 1 entre 40.000), los resultados eran estadísticamente más sólidos que los de 2001 en Brookhaven, donde obtuvieron una sigma de 3,7.

Los resultados del experimento muon g-2, lejos de decir que la desviación era un error de experimentación, confirman dicha desviación y mejoran la precisión para anunciar el descubrimiento de indicios de ruptura dentro de los principios del modelo estándar. No llega a ser 100% fiable a nivel estadístico, pero sí mucho más que antes.

Pero, ¿por qué esta desviación en el factor g de los muones ha sido un anuncio tan importante? Porque que su valor g no coincida con el esperado con una probabilidad de error de solo 1 entre 40.000 hace que estemos bastante cerca de cambiar los pilares del modelo estándar.

Experimento muon g-2
La instalación del Fermilab donde se realizó el experimento muon g-2.

¿La quinta fuerza fundamental o nuevas partículas subatómicas?

No podemos estar seguros al 100%, pero sí que es bastante probable que el experimento muon g-2 del Fermilab haya descubierto que, en el vacío cuántico, estos muones estén interactuando con fuerzas o partículas subatómicas desconocidas para la física. Solo así se podría explicar que su valor g no fuera el esperado por el modelo estándar.

Es cierto que por ahora tenemos una probabilidad de error de 1 entre 40.000 y que para estar seguros de la desviación necesitaríamos una probabilidad de error de 1 entre 3,5 millones, pero es suficiente para sospechar fuertemente que en el vacío cuántico hay algo extraño que está oculto a nuestros ojos.

Como ya hemos comentado, los muones son prácticamente iguales a los electrones. “Simplemente” son 200 veces más masivos. Pero es que esta diferencia de masa podría ser la diferencia entre estar ciegos (con los electrones) y ver la luz de lo que se esconde en el vacío cuántico (con los muones).

Nos explicamos. La probabilidad de una partícula de interactuar con otras partículas virtuales es proporcional al cuadrado de su masa. Esto significa que los muones, siendo 200 veces más masivos que los electrones, son 40.000 veces más propensos a ser perturbados por partículas virtuales conocidas (como los protones o los hadrones), pero también con otras partículas desconocidas.

Así que si estos muones, a través de esta discrepancia en su valor g, podrían estar gritando que hay algo que no hemos contemplado en el modelo estándar. Partículas misteriosas que no podemos ver directamente pero que sí que interactúan con los muones, alterando su factor g esperado y permitiéndonos percibirlas de forma indirecta, al formar parte de la marabunta de partículas virtuales que modifican su momento magnético.

Y esto abre un abanico increíble de posibilidades. Desde nuevas partículas subatómicas dentro del modelo estándar hasta una nueva fuerza fundamental (la quinta fuerza del Universo) que sería similar al electromagnetismo y que estaría mediada por los hipotéticos fotones oscuros.

Confirmar los resultados de discrepancia en el valor g de los muones puede parecer algo anecdótico, pero lo cierto es que podría representar un cambio de paradigma en el mundo de la física, al ayudarnos a comprender algo tan misterioso como la materia oscura, al modificar el modelo estándar que considerábamos inquebrantable, al añadir una nueva fuerza a las cuatro que creíamos que, por sí solas, regían el Universo y al añadir nuevas partículas subatómicas al modelo.

Sin duda, un experimento que puede cambiar para siempre la historia de la Física. Necesitaremos mucho más tiempo y más experimentos para llegar al punto de poder confirmar los resultados con la máxima fiabilidad posible. Pero lo que está claro es que en los muones tenemos el camino a seguir para cambiar, para siempre, nuestra concepción del Universo.

Muones
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