Durante décadas, los físicos han estado mirando fijamente a una pequeña partícula subatómica llamada muón y susurrando emocionados sobre una posible quinta fuerza de la naturaleza. Ahora, un equipo internacional de investigación liderado por un físico de Penn State ha echado un jarro de agua fría sobre todo el asunto. Sus hallazgos, publicados en la revista Nature, sugieren que la discrepancia observada durante mucho tiempo en el comportamiento magnético del muón no era una señal de nueva física en absoluto, sino solo un problema matemático.
El misterio giraba en torno al muón, una partícula de corta duración que es básicamente el primo más corpulento del electrón, pesando unas 200 veces más. Durante más de 60 años, las mediciones del momento magnético del muón —qué tan fuertemente actúa como un pequeño imán— parecían no coincidir con las predicciones del Modelo Estándar, el libro de reglas para todas las partículas y fuerzas fundamentales conocidas. Este desajuste hizo que todos esperaran partículas no descubiertas o incluso una glamorosa nueva "quinta fuerza" más allá de las cuatro habituales.
"Hubo muchos cálculos en los últimos 60 años más o menos, y a medida que se volvían más precisos, todos apuntaban a una discrepancia y una nueva interacción que trastornaría las leyes conocidas de la física", dijo Zoltan Fodor, distinguido profesor de física en Penn State y autor principal del estudio. "Aplicamos un nuevo método para calcular esta cantidad de discrepancia, y mostramos que no está ahí. Esta nueva interacción que esperábamos simplemente no está ahí. Las viejas interacciones pueden explicar el valor por completo".
El equipo pasó más de una década refinando su cálculo, eventualmente logrando que las predicciones teóricas y las mediciones experimentales coincidieran dentro de menos de media desviación estándar. El resultado confirma el Modelo Estándar hasta 11 decimales y reduce significativamente las posibilidades de que física desconocida se esconda en esta medición particular.
"La gente me pregunta cómo se siente hacer este descubrimiento y, para ser honesto, me siento un poco triste", admitió Fodor. "Cuando empezamos a calcular esta cantidad, pensamos que íbamos a tener un cálculo bueno y confiable para una nueva quinta fuerza. En cambio, encontramos que no hay quinta fuerza. Encontramos una prueba muy precisa no solo del Modelo Estándar, sino también de la teoría cuántica de campos, que es la base sobre la cual se construyó el Modelo Estándar".
La investigación se centró en el momento magnético anómalo del muón, o g−2, una pequeña desviación del valor esperado de exactamente dos. Debido a que los muones son más pesados que los electrones, son inusualmente sensibles a efectos cuánticos fugaces: partículas que aparecen y desaparecen en el espacio vacío. Experimentos en el CERN en las décadas de 1960 y 1970, luego en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y más recientemente en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi midieron esto con una precisión notable, ganando el Premio Breakthrough en Física Fundamental. Pero los números nunca coincidían del todo con la teoría, hasta ahora.
El principal dolor de cabeza provenía de la fuerza fuerte, la más poderosa de las cuatro fuerzas conocidas, que une a los quarks dentro de protones y neutrones. A diferencia de la gravedad o el electromagnetismo, la fuerza fuerte se vuelve más fuerte a medida que las partículas se separan, como una banda elástica que se tensa cuanto más tiras. Para predecir con precisión el comportamiento del muón, el equipo utilizó cromodinámica cuántica en red, una técnica computacional que simula la fuerza fuerte en supercomputadoras dividiendo el espacio y el tiempo en una cuadrícula extremadamente fina.
"La metodología antigua implicaba recolectar miles de resultados experimentales y reinterpretarlos para obtener el número único, el momento magnético del muón", dijo Fodor. "Nuestro enfoque fue completamente diferente. Dividimos el espacio-tiempo en celdas muy pequeñas, una red, y luego resolvimos las ecuaciones del Modelo Estándar en esa red".
Durante la última década, el equipo combinó cálculos de red para distancias cortas y medias con mediciones experimentales altamente confiables para distancias más grandes, utilizando redes más finas que estudios anteriores para reducir la incertidumbre. El cálculo final representa la determinación más precisa hasta ahora del momento magnético del muón.