Los físicos teóricos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y sus colaboradores acaban de publicar la predicción más precisa de cómo las partículas subatómicas llamadas muones, primos pesados de los electrones, se "bambolean" fuera de su trayectoria en un poderosoLos cálculos tienen en cuenta cómo los muones interactúan con todas las demás partículas conocidas a través de tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo mientras se reduce la mayor fuente de incertidumbre en la predicción. Los resultados,publicado en Cartas de revisión física como sugerencia de los editores, llegue justo a tiempo para el inicio de un nuevo experimento que mide la oscilación que se está llevando a cabo en el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE Fermilab.
Una versión de este experimento, conocido como "Muon g-2", se ejecutó en Brookhaven Lab a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000, y produjo una serie de resultados que indican una discrepancia entre la medición y la predicción. Aunque no es lo suficientemente significativa como paradeclarar un descubrimiento, esos resultados insinuaron que las partículas nuevas, aún por descubrir, podrían estar afectando el comportamiento de los muones. El nuevo experimento en Fermilab, combinado con los cálculos de mayor precisión, proporcionará una prueba más estricta del Modelo Estándar,la teoría reinante de la física de partículas. Si la discrepancia entre el experimento y la teoría sigue en pie, podría apuntar a la existencia de nuevas partículas.
"Si hay otra partícula que aparece e interactúa con el muón antes de que interactúe con el campo magnético, eso podría explicar la diferencia entre la medición experimental y nuestra predicción teórica", dijo Christoph Lehner, uno de los teóricos del Brookhaven Lab involucradoen los últimos cálculos. "Podría ser una partícula que nunca hemos visto antes, una que no está incluida en el Modelo Estándar".
Encontrar nuevas partículas más allá de las ya catalogadas por el Modelo Estándar ha sido durante mucho tiempo una búsqueda para los físicos de partículas. Detectar signos de una nueva partícula que afecta el comportamiento de los muones podría guiar el diseño de experimentos para buscar evidencia directa de tales partículas, dijo Taku.Izubuchi, otro líder del equipo de física teórica de Brookhaven.
"Sería una pista fuerte y nos daría algo de información sobre lo que podría ser esta partícula desconocida, algo sobre qué es la nueva física, cómo esta partícula afecta al muón y qué buscar", dijo Izubuchi.
La anomalía del muón
El experimento Muon g-2 mide lo que sucede cuando los muones circulan a través de un anillo de almacenamiento de electroimán de 50 pies de diámetro. Los muones, que tienen magnetismo intrínseco y giro algo así como peonzas de juguete giratorias, comienzan con sus giros alineados consu dirección de movimiento. Pero a medida que las partículas dan vueltas y vueltas en la pista de carreras del imán, interactúan con el campo magnético del anillo de almacenamiento y también con un zoológico de partículas virtuales que aparecen y desaparecen dentro del vacío. Todo esto sucede ende acuerdo con las reglas del Modelo Estándar, que describe todas las partículas conocidas y sus interacciones, por lo que los cálculos matemáticos basados en esa teoría pueden predecir con precisión cómo la alineación de los muones debe precesar, o "bambolearse" lejos de su trayectoria de espín alineado.Los sensores que rodean el imán miden la precesión con extrema precisión para que los físicos puedan probar si la predicción generada por la teoría es correcta.
Tanto los experimentos que miden esta cantidad como las predicciones teóricas se han vuelto cada vez más precisos, trazando un viaje por todo el país con aportes de muchos físicos famosos.
Una carrera y colaboración por la precisión
"Hay una especie de carrera entre el experimento y la teoría", dijo Lehner. Obtener una medición experimental más precisa te permite probar más y más detalles de la teoría. Y luego también necesitas controlar el cálculo de la teoría en niveles más altos yniveles más altos para igualar la precisión del experimento ".
Con insinuaciones persistentes de un nuevo descubrimiento del experimento de Brookhaven, pero también la posibilidad de que la discrepancia desapareciera con mediciones de mayor precisión, los físicos presionaron por la oportunidad de continuar la búsqueda utilizando un haz de muones de mayor intensidad en Fermilab.En el verano de 2013, los dos laboratorios se unieron para transportar el anillo de almacenamiento de Brookhaven a través de un viaje épico por tierra y mar desde Long Island a Illinois. Después de ajustar el imán y hacer una serie de otros ajustes, el equipo de Fermilab recientemente comenzó a tomarnuevos datos.
Mientras tanto, los teóricos han estado refinando sus cálculos para que coincidan con la precisión del nuevo experimento.
"Ha habido muchos físicos heroicos que han dedicado una gran parte de sus vidas a este problema", dijo Izubuchi. "Lo que estamos midiendo es una pequeña desviación del comportamiento esperado de estas partículas, como medir medio milímetrodesviación en la distancia de vuelo entre Nueva York y Los Ángeles. Pero todo sobre el destino de las leyes de la física depende de esa diferencia. Suena pequeño, pero es muy importante. Tienes que entender todo para explicar esta desviación ", dijodijo.
El camino hacia la reducción de la incertidumbre
Por "todo" se refiere a cómo todas las partículas conocidas del Modelo Estándar afectan a los muones a través de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electrodébil. Afortunadamente, las contribuciones electrodébiles se comprenden bien ySe cree que la gravedad juega un papel insignificante en la oscilación del muón. Así que el último esfuerzo, dirigido por el equipo de Brookhaven con contribuciones de RBC Collaboration formado por físicos del Centro de Investigación RIKEN BNL, el Laboratorio Brookhaven y la Universidad de Columbiay la colaboración UKQCD: se centra específicamente en los efectos combinados de la fuerza fuerte descrita por una teoría llamada cromodinámica cuántica o QCD y el electromagnetismo.
"Esta ha sido la parte menos entendida de la teoría y, por lo tanto, la mayor fuente de incertidumbre en la predicción general. Nuestro artículo es el intento más exitoso de reducir esas incertidumbres, la última pieza en la llamada 'frontera de precisión'- el que mejora el cálculo de la teoría general ", dijo Lehner.
Los cálculos matemáticos son extremadamente complejos, desde establecer todas las posibles interacciones de partículas y comprender sus contribuciones individuales hasta calcular sus efectos combinados. Para abordar el desafío, los físicos utilizaron un método conocido como Lattice QCD, originalmente desarrollado en Brookhaven Lab.y supercomputadoras potentes. La más grande fue la Instalación de Computación de Liderazgo en el Laboratorio Nacional de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, mientras que las supercomputadoras más pequeñas alojadas por la Iniciativa de Ciencias Computacionales CSI de Brookhaven, incluida una máquina comprada con fondos de RIKEN, CSI yLos fondos del Premio de Investigación de Carrera Temprana del DOE de Lehner también fueron esenciales para el resultado final.
"Una de las razones de nuestra mayor precisión fue nuestra nueva metodología, que combinó los datos más precisos de simulaciones de supercomputadoras con mediciones experimentales relacionadas", señaló Lehner.
Otros grupos también han estado trabajando en este problema, dijo, y toda la comunidad de aproximadamente 100 físicos teóricos discutirá todos los resultados en una serie de talleres durante los próximos meses para llegar a un acuerdo sobre el valor que obtendrán.utilizar para comparar con las mediciones de Fermilab.
"Estamos ansiosos por los resultados del Fermilab", dijo Izubuchi, haciéndose eco de la anticipación de todos los físicos que se han presentado antes que él en esta búsqueda para comprender los secretos del universo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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