El Grupo de Física se une para anunciar pruebas más sólidas de la nueva física revelada por el experimento Muon g-2 de Fermilab
Universidad de Michigan
Los primeros resultados del experimento Muon g-2 en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. Mostraron que las partículas fundamentales llamadas muones se comportan de una manera que la mejor teoría de los científicos no predeciría, el modelo estándar de física de partículas.
Este hallazgo notable, publicado en Physical Review Letters, confirma una paradoja que ha estado borrando a los investigadores durante décadas.
«El resultado de nuestro primer año de datos es el resultado más esperado de la física de partículas en casi una década, y un logro excepcional para una colaboración increíblemente talentosa entre experimentadores», dijo Tim Chop, profesor de física en la Universidad de Michigan. Un grupo de estudiantes de pregrado, posgrado e investigadores postdoctorales que han colaborado en el esfuerzo del Fermilab desde sus inicios.
Una fuerte evidencia de que los muones se desvían de los cálculos del Modelo Estándar indica una nueva física emocionante. Una posible explicación podría ser la existencia de partículas o fuerzas no descubiertas. Los muones actúan como una ventana al mundo subatómico y pueden interactuar con partículas o fuerzas no descubiertas hasta ahora.
Un muón tiene aproximadamente 200 veces la masa de su primo electrón. Los muones se producen naturalmente cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera de la Tierra, y los aceleradores de partículas de Fermilab pueden producirlos en grandes cantidades.
Al igual que los electrones, los muones se comportan como si tuvieran un pequeño imán interno. En un campo magnético fuerte, la dirección del imán de muones oscila, u oscila, como un eje superior de rotación o giroscopio. La fuerza del imán interno determina la velocidad del muón y se describe mediante un número que los físicos llaman factor g. El modelo estándar se puede utilizar para calcular con mucha precisión el factor g basado en partículas y fuerzas conocidas.
El experimento Muon g-2 envía un haz de muones a un anillo magnético, que gira miles de veces a casi la velocidad de la luz. Los detectores que recubren el anillo permiten a los científicos determinar qué tan rápido avanzarán los muones.
El anillo Muon g-2 está ubicado en la sala de detectores en medio de racks electrónicos, línea de radiación de muones y otros equipos. El experimento funciona a menos 450 grados Fahrenheit. Crédito de la imagen: Riddar Hahn
A medida que los muones giran en el imán Muon g-2, también interactúan con una espuma cuántica de partículas subatómicas que aparecen y desaparecen de la existencia. Las interacciones con estas partículas de vida corta afectan el factor g, lo que hace que el movimiento de los muones se acelere muy levemente. El modelo estándar predice los llamados momentos magnéticos anómalos con mucha precisión. Pero si la espuma cuántica contiene fuerzas o partículas adicionales que no se explican en el modelo estándar, esto modificaría aún más el factor muon Ji.
Esta cantidad que medimos refleja las interacciones de muones con todo lo demás en el universo. Pero cuando los teóricos calculan la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtenemos la misma respuesta ”, dijo René Fatimi, físico de la Universidad de Kentucky y director de simulaciones en Muon para el g -2 experimento. «Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible. Para algo que no está en nuestras mejores teorías».
El experimento anterior en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía, que concluyó en 2001, proporcionó indicios de que el comportamiento de los muones es incompatible con el modelo estándar. La nueva medición del experimento Muon g-2 en Fermilab, la medición más precisa hasta la fecha, se alinea estrechamente con el valor de Brookhaven y también difiere de la teoría.
El experimento Fermilab reutiliza el ingrediente clave de Brookhaven Experience, que es un anillo de almacenamiento magnético superconductor de 50 pies de diámetro. En 2013, fue transportado 3.200 millas por tierra y mar desde Long Island a los suburbios de Chicago, donde los científicos pudieron aprovechar el acelerador de partículas de Fermilab y producir el haz de muones más poderoso de los Estados Unidos. Durante los siguientes cuatro años, los investigadores combinaron, ajustaron y calibraron el experimento increíblemente bien. Campo magnético uniforme, Desarrollar nuevas tecnologías, herramientas y simulaciones y probar minuciosamente todo el sistema.
«La fuerza absoluta del campo magnético debe determinarse para correlacionar la frecuencia del muón oscilante con la predicción teórica, que es un desafío único en la experimentación con la física de partículas», dijo Chop. «Somos parte del equipo de expertos en física atómica y mediciones de precisión que han desarrollado nuevos enfoques para lograrlo».
Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con la teoría en una significancia de 4.2 sigma, una señal más fuerte que la proporcionada por el resultado de Brookhaven, pero ligeramente por debajo de los 5 sigma (o desviaciones estándar) que los científicos prefieren afirmar como descubrimiento pero aún así. evidencia convincente de nueva física. La probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 en 40.000.
Como estudiante de posgrado en la UM, Alec Tewsley-Booth desarrolló nuevos métodos de análisis que permitieron a los investigadores medir no solo el tamaño del campo magnético, sino también la forma y cómo cambia con el tiempo.
«Hubo mucha tensión en el campo debido a los resultados anteriores. Fue tan desconcertante que muchos teóricos comenzaron a trabajar en extensiones del Modelo Estándar para explicar la discrepancia. Sin embargo, cuando se obtienen resultados que entran en conflicto con la teoría, hay siempre quedan dudas sobre si la diferencia se puede deber a una falla en el experimento ”, dijo Tewsley-Booth, ahora investigador postdoctoral en la UM.
«Antes de estos resultados, no se sabía si nuestros resultados retrocederían a favor de la vieja teoría o de la nueva física. Los resultados de Run-1 contribuyen en gran medida a indicar una nueva física y validar el experimento anterior».
Eva Krägeloh, estudiante de posgrado de la UM, comparó diferentes representaciones de datos de campo magnético para ayudar a comprender la precisión e identificar incertidumbres en las mediciones de los científicos. Un importante contrainterrogatorio para las mediciones del campo magnético utilizó un nuevo instrumento llamado magnetómetro de helio-3, desarrollado por Chubb y el estudiante graduado Medhat Farouk.
El estudiante de posgrado Medhat Farouk está trabajando en el laboratorio de Chop desarrollando el magnetómetro 3He utilizado para confirmar la calibración de las mediciones del campo magnético de un anillo de almacenamiento. Crédito de la imagen: Chupp Lab
«Hay cientos de dispositivos que se utilizan para medir el campo magnético, pero todos están referenciados en un dispositivo que ha sido calibrado con el magnetómetro Medhat con una precisión asombrosa», dijo Chub.
En su primer año de funcionamiento, 2018, Fermilab recopiló más datos que todos los experimentos de factor g de muones combinados. Con más de 200 científicos de 35 instituciones en siete países, la colaboración de Muon g-2 ha terminado de analizar el movimiento de más de 8 mil millones de muones de esa primera ronda.
Hasta ahora, los investigadores han analizado menos del 6% de los datos que el experimento eventualmente recopilará. El análisis de datos en las fases 2 y 3 del experimento, dirigido en parte por Tewsley-Booth y Chupp, está en progreso; La cuarta ronda está en marcha; Está prevista una quinta carrera. La combinación de los resultados de las cinco mitades daría a los científicos una medición cuatro veces más precisa del factor gee del muón, al tiempo que verificaría con un mayor grado de certeza si la nueva física está oculta dentro de la espuma cuántica.
«Los físicos de partículas centrarán su atención una vez más en lo que podría ser esta nueva física. Para la física, este hallazgo es muy profundo porque nos da una idea mucho mejor de una señal específica para examinar», dijo Chope. «Es una física hermosa, nos desafía experimentalmente y profundiza en las cuestiones más profundas de la física de partículas».
La National Science Foundation financia la investigación Muon g-2 de UM Group.
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