Experimentos con partículas desafían paradigmas de la física

Experimentos con partículas desafían paradigmas de la física

 

Los resultados preliminares de dos experimentos dejan entrever que algo podría estar equivocado en la forma básica en que los físicos creen que funciona el universo, una perspectiva que ha causado desconcierto y emoción en el ámbito de la física de partículas.

Las pequeñas partículas llamadas muones no se han comportado de acuerdo a lo previsto en dos experimentos distintos de largo plazo en Estados Unidos y Europa. Los resultados desconcertantes —si se demuestra que son correctos— revelan problemas importantes en las normas que los físicos utilizan para describir y comprender el funcionamiento del universo a nivel subatómico.

"Pensamos que podríamos estar nadando todo el tiempo en un mar de partículas de fondo que simplemente no han sido descubiertas directamente", afirmó en conferencia de prensa el codirector de experimentos del laboratorio Fermilab, el científico Chris Polly. "Podría haber monstruos que aún no hemos imaginado que están surgiendo del vacío, interactuando con nuestros muones, y esto nos proporciona una ventana para verlos".

Los estatutos están definidos en el llamado Modelo Estándar desarrollado hace unos 50 años. Los experimentos efectuados durante décadas afirmaban una y otra vez que sus descripciones de las partículas y las fuerzas que conforman y gobiernan el universo eran bastante acertadas. Hasta ahora.

"Nuevas partículas, una nueva física podrían estar justo más allá de nuestra investigación", dijo el físico de partículas Alexey Petrov, de la Universidad Estatal Wayne. "Es tentador".

El Fermilab, del Departamento de Energía de Estados Unidos, anunció el miércoles los resultados de 8.200 millones de carreras a lo largo de una pista en las afueras de Chicago que, si bien no despiertan interés en la mayoría de las personas, han emocionado a los físicos: Los campos magnéticos de los muones no parecen ser lo que el Modelo Estándar dice que deberían ser. Esto se ha obtenido después de los nuevos resultados publicados el mes pasado por el Gran Colisionador de Hadrones del Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN por sus siglas en francés), el cual encontró una sorprendente proporción de partículas después de colisiones a alta velocidad.

Si son confirmados, los resultados de Estados Unidos serían el mayor hallazgo en el extraño mundo de las partículas subatómicas en casi 10 años, desde el descubrimiento del bosón de Higgs —a menudo llamado "partícula de Dios"_, dijo Aida El-Khadra, de la Universidad de Illinois, que trabaja en física teórica en el experimento del Fermilab.

El objetivo de los experimentos, explica el físico teórico David Kaplan, de la Universidad Johns Hopkins, es separar partículas y averiguar si "hay algo extraño sucediendo" tanto con las partículas como con el aparente espacio vacío entre ellas.

"Los secretos no sólo están en la materia. Se encuentran en algo que parece llenar todo el espacio y el tiempo. Estos son campos cuánticos", señaló Kaplan. "Estamos poniendo energía en el vacío y viendo que resulta".

Los dos conjuntos de resultados implican a la extraña y efímera partícula llamada muon. El muon es el primo más pesado del electrón que orbita el centro de un átomo. Sin embargo, el muon no forma parte del átomo, es inestable y normalmente sólo existe dos microsegundos. Después de que lo descubrieran en los rayos cósmicos en 1936, causó tanto desconcierto entre los científicos que un físico famoso preguntó: "¿Quién ordenó eso?"

"Desde el principio ha hecho a los físicos rascarse la cabeza", dijo Graziano Venanzoni, físico experimental de un laboratorio nacional italiano. Venanzoni es uno de los principales científicos del experimento del Fermilab estadounidense, llamado Muon g-2.

En el experimento se liberan muones por una pista magnetizada que mantiene a las partículas existiendo el tiempo suficiente para que los investigadores puedan observarlas de cerca. Los resultados preliminares dejan entrever que la "rotación" magnética de los muones está 0,1% fuera de lo que predice el Modelo Estándar. La cifra quizá no parezca mucho, pero para los físicos de las partículas es enorme, más que suficiente para poner en entredicho la comprensión que se tiene actualmente del fenómeno.

Los investigadores necesitan otro año o dos para concluir el análisis de los resultados de todas las vueltas alrededor de la pista de 14 metros (50 pies). Si los resultados no varían, contará como un gran descubrimiento, declaró Venanzoni.

Por otra parte, en el acelerador de partículas más grande del mundo en el CERN, los físicos han estado efectuando colisiones entre protones para ver qué sucede después. Uno de varios experimentos separados de colisiones de partículas mide lo que sucede cuando chocan partículas llamadas "quarks belleza" o "fondo". 

El Modelo Estándar pronostica que estas colisiones entre quarks belleza deberían dar como resultado números iguales de electrones y muones. Es como lanzar una moneda 1.000 veces y obtener igual número de caras o cruces, dijo Chris Parkes, jefe del experimento con quarks belleza en el Gran Colisionador de Hadrones.

Pero eso no fue lo que sucedió.

Los investigadores examinaron los datos de varios años y varios miles de colisiones y encontraron una diferencia de 15%, con una cantidad significativamente mayor de electrones que de muones, dijo Sheldon Stone, investigador del experimento en la Universidad de Syracuse.

Ningún experimento ha sido declarado un descubrimiento oficial todavía porque existe una pequeña posibilidad de que los resultados sean una rareza estadística. Efectuar los experimentos más veces —planeados en ambos casos— podría, en un año o dos, alcanzar los requerimientos estadísticos increíblemente estrictos para que la física los considere un descubrimiento, según los investigadores.

Si los resultados se mantienen podrían cambiar radicalmente "todos los cálculos realizados" en el mundo de la física de las partículas, señaló Kaplan.

"Esto no es un margen de error. Esto es algo equivocado", agregó. Ese algo podría ser explicado por una nueva partícula o fuerza. 

O estos resultados podrían ser errores. En 2011, un extraño hallazgo de que una partícula llamada neutrino parecía viajar más rápido que la luz amenazó al Modelo Estándar, pero resultó que se debió a un problema con una conexión eléctrica en el experimento.

"Revisamos todas nuestras conexiones de los cables y hemos hecho lo que podemos para verificar nuestros datos", dijo Stone. "Como que tenemos la certeza, pero nunca se sabe".