El muon desafía a la física

El comportamiento del muon sugiere que podría haber una nueva partícula elemental o una fuerza desconocida sin descubrir. Esto afecta a la teoría del universo.

Acelerador de partículas
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El pasado 25 de febrero, unos doscientos científicos se reunieron por videoconferencia para conocer los resultados de la primera fase del experimento Muon g-2 sobre el comportamiento de los muones, unas partículas elementales parecidas a los electrones, pero más masivas e inestables. La investigación, iniciada hace más de tres años, se llevó a cabo en el acelerador de partículas del Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab), situado a unos cincuenta kilómetros de Chicago. Para garantizar la objetividad del proceso, la información que se iba obteniendo en el acelerador se cifraba: el resultado final debía interpretarse a la luz de un dato que había permanecido todo ese tiempo en dos sobres sellados y guardados bajo llave en el Fermilab y en la Universidad de Seattle. El encuentro por internet se convocó para abrir estos sobres y desvelar el desenlace del trabajo.

Fue entonces cuando llegó el momento con el que todos los convocados habían soñado: el muon, una de las diecisiete partículas elementales del modelo estándar de la física, no se comporta según establece la teoría vigente. Si esto se confirma en sucesivos experimentos, se abriría la puerta a una nueva física, a otra forma de interpretar la realidad en su estructura más básica.

Los resultados de esta primera fase de la investigación se comunicaron al público el pasado 7 de abril, en una comparecencia en la que Chris Polly, codirector del proyecto, aseguró que “tal vez estemos ante monstruos que no habíamos imaginado y que interactúan con los muones; las diferencias que hemos detectado entre las observaciones y la teoría abrirían la ventana para encontrarlos”. Los científicos del Fermilab están analizando frenéticamente los datos ya recabados en las fases segunda y tercera del estudio, cuyos resultados se anunciarán en el verano de 2022, y Polly aseguró que habrá una cuarta fase.

El físico español de veintisiete años Abel Lorente Campos fue uno de los participantes en la ya histórica reunión. “Había mucha expectación. Yo estaba muy nervioso porque era un trabajo de muchos años que involucraba a un gran número de personas. Polly cogió los sobres, los abrió, mostró el resultado en la pantalla… y todos gritamos. Fue increíble. Uno no experimenta muchos momentos así en una vida dedicada a la investigación, pero cuando te toca lo disfrutas al máximo”, cuenta a MUY.

El muon es una de las diecisiete partículas elementales del modelo estándar de la física, que fue establecido en los años 70 a partir de los descubrimientos hechos a lo largo del pasado siglo por grandes físicos teóricos como Paul Dirac, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y otros muchos. Este modelo basado en la mecánica cuántica describe las partículas elementales y sus relaciones, y aunque sirve para explicar la estructura última de la materia, de momento tiene poco que decir sobre la gravedad o sobre la materia y la energía oscuras, que en teoría componen alrededor del 25 por ciento y el 70 por ciento del universo, respectivamente. Para entender el cosmos a gran escala, el paradigma vigente es desde hace algo más de un siglo la relatividad general de Albert Einstein.

Los científicos llevan décadas buscando una ‘teoría del todo’ que unifique en un solo modelo explicativo todos los fenómenos físicos conocidos, tanto los microscópicos como los macroscópicos. Y esos monstruos que mencionó Chris Polly podrían ser la llave para lograrlo. Aunque los resultados del Fermilab aguardan confirmación, son ya la noticia más importante para la física desde que la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) certificara en 2012 el hallazgo del bosón de Higgs.

Desde esa fecha y pese a las expectativas, el acelerador del CERN no ha descubierto nuevas partículas o fuerzas, de modo que el bosón de Higgs –que confiere masa al resto de partículas– ha completado por ahora el mapa del modelo estándar de la física, que incluye diecisiete partículas y las cuatro fuerzas fundamentales: nuclear fuerte, nuclear débil, gravedad y electromagnetismo. Pero, según Lorente Campos, el comportamiento inesperado del muon detectado en el Fermilab sugiere que “podría haber una nueva partícula elemental o una fuerza desconocida todavía por descubrir”.

El muon fue detectado por primera vez en 1936 en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) por los físicos Carl Anderson y Seth Neddermeyer, y un año después J. C. Street y E. C. Stevenson confirmaron su existencia con un complejo experimento hecho en una cámara de niebla, un aparato utilizado para detectar partículas de radiación ionizante. Posee la misma carga eléctrica (negativa) que un electrón, solo que tiene 207 veces su masa y una cortísima vida de dos millonésimas de segundo, por lo que no posee la estabilidad suficiente como para de­sempeñar un papel relevante en la formación de la materia. Se comporta como una especie de imán y cuando se halla en un campo magnético se bambolea como una peonza. Esta rotación se produce con una fuerza y un giro determinados: la relación entre estos dos parámetros es el momento magnético del muon, y para medirlo los físicos utilizan el llamado factor g. Obtener un valor exacto de este factor es el objetivo del experimento codirigido por Chris Polly en el Fermilab.

El físico y matemático británico Paul Dirac (1902-1984), uno de los pioneros de la física cuántica, calculó hace casi un siglo que el valor del factor g del muon era de exactamente 2. Más tarde se fueron haciendo estimaciones más precisas, teniendo en cuenta que tal momento magnético no se produce en el vacío, sino en contacto con otras partículas que surgen y desaparecen durante la efímera existencia del muon y con las que este interactúa. Así, el factor g se ha elevado muy ligeramente por encima de 2, hasta el valor teórico que hoy le asigna el modelo estándar. Sin embargo, el resultado desvelado por Polly el pasado febrero reveló un valor del momento magnético del muon más alto que el canónico, justo lo que los científicos sospechaban desde 2001, cuando un experimento del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Long Island, en el estado de Nueva York, detectó los primeros datos anómalos sobre esta escurridiza partícula. Una mínima diferencia que, según Polly, puede revolucionar la física.

En cualquier caso, los investigadores del Fermilab son prudentes y admiten que los novedosos datos que manejan aún han de ser ratificados en las siguientes fases del experimento. Pero también son optimistas, y creen que la década que estamos empezando puede ser la del muon, al igual que la pasada fue la del bosón de Higgs. La confirmación de la existencia de un nuevo paradigma físico debe llegar mediante dos vías que transcurren en paralelo: por un lado, el Fermilab ha de comprobar la exactitud de los datos recogidos en su acelerador de partículas (y para ello quedan por completar tres fases de su experimento); por otro, se ha de llegar a un consenso definitivo sobre el valor del momento magnético del muon según la teoría del modelo estándar. Solo una vez que se cuente con ambos números se podrá concluir si el valor de la experimentación y el de la teoría coinciden. Si no es así, como sucede ahora, la puerta hacia una nueva física se habrá abierto de par en par.

Los primeros resultados experimentales indican que no hay coincidencia, pero los datos, aunque cada vez más concluyentes, no son definitivos. Estamos al principio de una larga carrera que, de hecho, arrancó hace décadas. Tras ser hallado el muon en los años 30 del siglo pasado, en 1959 el CERN realizó en su primer acelerador, el sincrociclotrón, el experimento inicial sobre esta partícula, para tratar de medir su momento magnético y obtener un factor g preciso. Ya en 1966, otro equipo de científicos del CERN hizo un segundo experimento con el afán de afinar el cálculo de dicho número. Y la misma organización realizó una tercera investigación en 1969 con igual propósito, cuyos resultados se publicaron en 1979. A partir de ahí, los estudios sobre el muon saltaron a laboratorios estadounidenses. “La idea de que hay algo extraño en el comportamiento del muon no es nueva. Las investigaciones anteriores del CERN ya lo anticipaban. Mucho antes de que llegara hace dos décadas el experimento Brookhaven, el antecesor del Fermilab, hacía tiempo que los físicos veían que algo peculiar sucedía en torno a esta partícula elemental”, dice Lorente Campos, quien antes de sumarse al trabajo del Fermilab como investigador de la Universidad de Kentucky completó una estancia como investigador en el CERN.

En 1997, Chris Polly era un estudiante universitario que había obtenido una beca para trabajar en el acelerador de partículas del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en un experimento con muones que se prolongó hasta 2001 y arrojó unos resultados promete dores: el momento magnético del muon, su factor g, era más elevado de lo que preveía el modelo estándar. Sin embargo, el resultado estaba lejos de ser concluyente. Los científicos usan un baremo estadístico para medir la fiabilidad de una investigación: se denomina el valor sigma. Si un trabajo alcanza un sigma de 5 puntos, se considera definitivo y sus autores pueden reivindicar que supone un descubrimiento, puesto que las probabilidades de que el resultado en cuestión se deba a la casualidad son casi nulas. El proyecto de Brookhaven obtuvo un sigma de 3,3: poco para sacar pecho y proclamar que se había hallado algo crucial, pero lo bastante alto para seguir investigando en la misma dirección, acaso mediante una iniciativa más ambiciosa.

Esto fue lo que pensó Polly, quien, una vez acabado el proyecto del Brookhaven, pidió permiso para llevarse el acelerador de partículas de ese laboratorio y continuar el trabajo en otro lugar: el Fermilab, ubicado en la localidad de Batavia (Illinois), cerca de Chicago. Al final lo consiguió: en 2013, el acelerador de 17 toneladas afrontó una odisea de más de 5000 kilómetros. Primero fue transportado en barco desde Nueva York hasta Florida, por el océano Atlántico; y desde allí río Misisipi arriba hasta completar el último tramo en camiones que lo transportaron a su nuevo hogar. Finalmente, el proyecto Muon g-2 echó a andar en el Fermilab en 2018. Este experimento ha producido hasta ahora veinte veces más datos que los trabajos en el Brookhaven, y ha desvelado un valor del momento magnético del muon más alto que el previsto por el modelo estándar. Y esta vez con un sigma de 4,2, acercándose a la cota que permite reivindicar un descubrimiento.

Polly confía en que tras analizar la información de las fases segunda y tercera, el proyecto del Fermilab alcance el sigma 5 y puedan cantar victoria, momento que llegaría en el verano del año que viene; lo cierto es que a medida que se han ido recabando más datos, el número sigma ha sido cada vez más elevado. “El proyecto Muon g-2 es un 15 % más preciso que el de Brookhaven, y hay una posibilidad entre 40 000 de que el resultado se deba a la casualidad”, dice Polly. Si esto se confirma, aún quedaría que los físicos teóricos calculen de manera definitiva qué valor exacto tiene el muon según el modelo estándar de la física de partículas. Y sobre esto hay abierto un amplio debate. Para hallar ese dato de la manera más precisa posible, la física de la Universidad de Illinois Aida El-Khadra creó en 2016 el grupo Iniciativa Teórica, que unió a unos 170 físicos que se lanzaron a calcular frenéticamente. En junio de 2020 hicieron público el resultado: es el dato que toma como referencia la investigación del Fermilab.

El valor del factor g del muon calculado por el grupo Iniciativa Teórica era 2,00233183620. Lo conocían todos los participantes en la reunión en la que Polly abrió los sobres con los resultados de la primera fase del Muon g-2. El dato obtenido en el Fermilab era más alto: 2,00233184122. Los primeros siete decimales coinciden, pero a partir de ahí cambia la cosa: 3620 de la teoría frente a 4122 del experimento. Una minucia para un lego en la materia; para la ciencia, una grieta por la que cabe una nueva teoría física. Cuando se anunciaron los resultados, El-Khadra declaró: “Esto indica que hay algo que no contempla el modelo estándar”. Sin embargo, el 7 de abril, el mismo día que se anunciaron las conclusiones del Fermilab, otro grupo de físicos, agrupados bajo las siglas BMW (por Budapest, Marsella y Wuppertal, las ciudades donde investiga la mayoría de ellos), publicó un artículo con un cálculo del momento magnético del muon hecho con supercomputadoras. El número coincidía con el del Fermilab. Esto implicaría que no hay que cambiar el modelo estándar y que, de hecho, el trabajo de Polly y sus colegas ratifica el marco teórico completado con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.

“Es una noticia excelente que el resultado del Fermilab coincida con nuestros cálculos”, explica a MUY Zoltan Fodor, físico de la Universidad de Pensilvania y componente del grupo BMW. “Tanto el primer experimento con el muon de hace veinte años como este han de tomarse en serio, ambos han dado resultados cada vez más precisos y que apuntan en la dirección correcta. Se ha ido obteniendo un valor del momento magnético del muon un poco más alto a medida que se han recabado más datos y cada vez se está más cerca de llegar a sigma 5”, señala. A partir de ahora, dice Fodor, “debemos permanecer muy atentos al rumbo que toman los experimentos y comprobar si sus resultados encajan con los datos obtenidos mediante los cálculos. Ahora tenemos dos valores para el factor g del muon: el nuestro y el de la Iniciativa Teórica, pero solo puede haber uno. Desde que publicamos nuestros artículos, hay muchos otros equipos inmersos en la tarea de calcular con la máxima exactitud este número. Llevará tiempo, pero al final se verá si estos grupos obtienen nuestra misma cifra u otra diferente. En cualquier caso, estamos ante un momento muy emocionante para la ciencia”.

¿Qué puede explicar las diferencias en los resultados obtenidos por unos y otros? Probablemente, el método de cálculo empleado. Los científicos de la Iniciativa Teórica han recurrido a uno tradicional, utilizar los datos de los experimentos hechos sobre el muon; los del grupo BMW han optado por procesar ecuaciones teóricas en superordenadores con vertiginosas capacidades de computación. Según Fodor, “calcular el valor del factor g no es tan complejo si uno quiere lograr una precisión del uno por mil, pero es mucho más difícil si se quiere obtener un resultado más preciso, como se pretende ahora. Hay que incluir cada vez más términos en los cálculos y esto es lo que vuelve el proceso tan complejo y laborioso que puede llevar años”.

El físico de la Universidad de Pensilvania compara el uso de los superordenadores para realizar cálculos de este tipo con los métodos de previsión meteorológica de la aviación comercial: “Los aviones hacen sus rutas y miden la presión, la temperatura y la velocidad del viento; esos datos se introducen en ordenadores y mediante unas ecuaciones se predice el tiempo que hará dentro de unos días. Cuantos más datos se recojan, mejor será la predicción. Nosotros hemos empleado miles de millones de aviones para calcular el momento magnético del muon”. Para él, “no hay debate: los superordenadores son más eficaces en este asunto porque utilizan solo las ecuaciones básicas de la teoría, mientras que el método tradicional se basa en datos experimentales, muchos de ellos recogidos en los años 60”.

En cualquier caso, en esta década el muon está llamado a ser el protagonista del debate más apasionante de la física moderna, que ha vivido unos años de relativa tranquilidad. Tras la detección del bosón de Higgs en el CERN en 2012, se pensó que se avecinaban grandes descubrimientos que pondrían patas arribas lo que sabemos de la realidad última del mundo, pero no ha sido así. El modelo estándar, con todas sus limitaciones, sigue vigente, y hasta el proyecto Muon g-2 no había indicios de que pudiera tambalearse. ¿Qué sucederá en los próximos meses? El Fermilab seguirá trabajando para obtener un valor del momento magnético del muon basado en la experimentación; y en paralelo, los físicos teóricos se afanarán para acordar qué número le atribuyen al comportamiento magnético del muon, según lo establecido por el modelo estándar. Solo al final de ese recorrido, y si las diferencias entre ambos cálculos se confirman, Polly y su equipo podrán reivindicar que sus hallazgos tienen posibilidades de constituir la base de una nueva teoría. Como explica Lorente Campos, “los expertos debatirán qué elementos se han introducido para hacer el cálculo y cuáles no, y cómo se ha hecho dicho cálculo. Cuando anunciemos el próximo bloque de resultados desde el Fermilab, el grupo de la Iniciativa Teórica tendrá que volver a calcular el factor g teniendo en cuenta toda esta discusión, y el número que obtengan puede ser el mismo o no”. Es una tarea continua y sometida a revisión constante.

El trabajo del Fermilab no es el único relacionado con los muones que da indicios de que la física podría estar a punto de cambiar. Un reciente experimento hecho en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) cercano a Ginebra ha hecho chocar haces de protones de alta energía, impactos en los que surgen los llamados cuarks fondo –un tipo de partícula elemental– que inmediatamente se descomponen en electrones o muones, con igual probabilidad de que sean unos u otros. Pero las mediciones indican que ese equilibrio podría no existir, y que tal vez haya una partícula que surge de esos procesos y no es ni un muon ni un electrón. El análisis de los datos, que llevará tiempo, dirá si podría ser un nuevo tipo de partícula desconocida.

Por otro lado, investigadores del acelerador de protones de alta intensidad J-PARC de Tokai (Japón) están desarrollando un experimento similar al Muon g-2. Zoltan Fodor considera que “este proyecto es importante, cuantos más resultados tengamos fruto de la experimentación, mejor”. Sus métodos son muy distintos a los del Fermilab, así que si obtiene los mismos resultados sería una prueba de que el muon posee propiedades distintas a las esperadas.Lorente Campos explica a MUY que “la manera en la que van a obtener muones allí es diferente a la del Fermilab, y la forma de almacenarlos también. Además, van a usar muones con menos energía y con un campo eléctrico más grande y estable; y su experimento tiene menos envergadura que el nuestro”.

Aunque sean provisionales, los resultados del proyecto muon g-2 han despertado el interés de numerosos físicos teóricos, que se han lanzado a trabajar en posibles modelos que los hagan encajar en una nueva física. Han pasado poco más de tres meses desde que Polly los anunciara y ya se han publicado decenas de artículos científicos con propuestas y especulaciones. “Nuestro experimento del Fermilab podría acabar probando que existe algo ahí que no sabíamos, y cuando esto sucede surgen muchas hipótesis sobre qué sería: ¿una nueva partícula o una fuerza desconocida? –señala Lorente Campos–. Lo que descubramos podría afectar a las teorías sobre la materia oscura y las partículas supersimétricas, pero saber de qué manera será tarea de otros físicos, no nuestra”.

“Hace casi diez años –declaró El-Khadra en la ya célebre rueda de prensa telemática de abril–, se confirmó la existencia del bosón de Higgs. Tras estos resultados del muon, en los próximos diez veremos si el modelo estándar de la física puede seguir vigente”. Polly comparte ese entusiasmo y asegura que, “para los científicos del Fermilab, esto es el equivalente a poner el róver Perseverance en Marte para los de la NASA. Es la materialización de un enorme esfuerzo de cientos de personas implicadas en este proyecto y de miles de científicos que llevan más de dos décadas analizando datos sobre el muon. Cuando se revelaron los resultados de la primera fase del experimento sentí una mezcla de alivio y de sentimiento de reivindicación. Íbamos bien, por la senda abierta por el proyecto Brookhaven”.