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Foto: Ryan F. Mandelbaum
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Un anillo de 15 metros lleno de cables, tuberías y otros componentes eléctricos es uno de los activos más importantes que hay en el almacén del Fermilab, al norte de Ilinois. Los científicos que están tomando datos con este dispositivo tienen el potencial de sacudir hasta los cimientos el campo de la física de partículas, pero les falta un número crucial para hacer su cálculo final: la velocidad a la que se mueve un reloj que se encuentra en un compartimento sellado de una habitación secreta. Hoy, solo dos personas conocen este dato y lo han escrito en sendos sobres ocultos, sin decirle a nadie su contenido.

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Bueno, al menos de momento. En la actualidad, existe una teoría llamada Modelo Estándar que se utiliza para explicar cómo interactúan las partículas que forman nuestro universo. Los físicos han encontrado todas las partículas y fuerzas que describe esta teoría, pero todavía hay innumerables misterios en el universo como la verdadera naturaleza de la materia oscura o por qué hay mucha más materia que antimateria— que el Modelo Estándar no explica. Varios experimentos están tratando de encontrar grietas en el Modelo Estándar y, este año, los científicos esperan poder demostrar la existencia de una de ellas con el experimento Muon g-2.

“Si el número es diferente de lo que predice el Modelo Estándar, entonces la única explicación sería que alguna nueva partícula o fuerza existe fuera del Modelo Estándar”, me dijo la investigadora Saskia Charity mientras observábamos desde una plataforma el anillo del experimento Muon g-2.

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Hace casi un siglo, el físico Paul Dirac hizo una predicción del valor del momento magnético del electrón, llamado “g”. El valor que había predicho era 2. Poco después, las mediciones revelaron que el valor de g había variado ligeramente, y los físicos comenzaron a usar la diferencia entre el valor real de g y 2 para investigar la estructura interna de las partículas subatómicas y de las leyes de la física en general. En 1959, el CERN, construyó el primer experimento para medir el valor g-2 de una partícula subatómica llamada muón, básicamente un electrón más pesado y que tiene una vida más corta. El Brookhaven National Lab de Long Island, comenzó su propio experimento, que concluyó en 2001.

Brookhaven publicó los resultados de su experimento g-2 en 2004: su medición se desvió de lo que había predicho el Modelo Estándar. Pero el experimento no había tomado suficientes datos para el análisis estadístico como para probar definitivamente que el valor que habían medido era realmente diferente y no solo una fluctuación estadística, o al menos no al nivel de desviación que los físicos de partículas necesitan para considerar como válido un descubrimiento. Por eso, después de 10 años, el Fermilab decidió retomar la búsqueda. Hizo que enviasen el imán del experimento de Brookhaven a través de la costa del atlántico, río arriba por el Mississippi, y luego hasta el Fermilab en un camión-plataforma. Los físicos querían volver a llevar a cabo el experimento con un haz de muones más fuerte.

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Los científicos de Fermilab llevan realizando este experimento desde 2017 y ahora están trabajando en el análisis de la primera oleada de resultados. Pero como los humanos tenemos nuestros propios sesgos, los científicos han reemplazado una variable crucial del experimento —la medición de un reloj— con un número aleatorio generado por un ruido atmosférico. Una vez que el análisis de los datos de los investigadores se haya resuelto y funcione, los investigadores dirán cuál era la velocidad de ese reloj e introducirán ese valor en su código.

La verdadera medición del reloj proviene de un par de relojes atómicos cuyas lecturas se encuentran detrás de una taquilla negra cerrada en una habitación llena de dispositivos electrónicos. El subdirector de investigación del Fermilab, Joe Lykken, me dijo que solo dos personas tienen acceso a ese dato: él mismo y su compañero, Greg Bock. Ahora que han terminado con la primera tanda, las mediciones del reloj se encuentran dentro de un par de sobres sellados, dirigidos a Lykken y Bock.

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“Está en mi oficina, por lo que es un sitio bastante seguro”, dijo Lykken. Pero él no me dijo en qué parte de su oficina.

El experimento Muon g-2.
El experimento Muon g-2.
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Pero, ¿por qué es tan importante un reloj? El experimento del Fermilab funciona dirigiendo primero protones con alta carga energética hacia un objetivo, produciendo una lluvia de más protones, antimuones (la antipartícula del muon) y de piones, algunos de los cuales se descomponen en más antimuones. Todos estos antimuones viajan en un haz unas 4.000 veces alrededor del imán y luego se descomponen en unos antielectrones llamados positrones, que llevan con ellos un registro de los muones. Los científicos pueden calcular el valor de g-2 basándose en una relación entre la frecuencia de precesión del antimuón y la fuerza del campo magnético. Pero para calcular una frecuencia necesitan saber el tiempo. Los científicos simplemente tienen que cambiar la frecuencia de los números aleatorios con la frecuencia real del reloj para obtener la respuesta final, explicó Charity. Es más fácil producir antimuones en el Fermilab, explicó Charity, pero el resultado de g-2 sería el mismo que con los muones normales.

Los resultados estadísticos de la primera prueba no serán mucho más sólidos que los de Brookhaven, pero al menos confirmarán si la presencia de la desviación continúa o si fue simplemente una fluctuación normal. Las pruebas posteriores reducirán el margen de error para ver si la desviación alcanza el nivel sigma cinco necesario para confirmar el descubrimiento. Las pruebas siguientes también se realizarán sin conocer los datos reales de la medición del reloj.

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Pero esto es solo la primera parte de la historia. “Digamos que hacemos público este número y que confirma nuestra sorpresa inicial, nadie nos creerá”, dijo Charity. “Tenemos que estar listos para defender todo lo que hemos hecho. No tengo miedo de hacerlo, pero es sobrecogedor”.

Y, por supuesto, el resultado podría demostrar que la medición de Brookhaven ha sido todo este tiempo una casualidad estadística, como ocurrió con el “exceso de diofotones a 750 GeV” del CERN, cuando lo que parecían ser los indicios de una nueva partícula en el Gran Colisionador de Hadrones se quedó en nada. Aun así, todavía sería algo interesante, ya que descartaría un montón de potenciales ideas que los teóricos han ideado para explicar esta desviación.

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“De todas maneras, es algo realmente emocionante”, dijo Charity. Aunque ella espera que el número final sea capaz de contradecir el Modelo Estándar, ya que obligaría a los físicos a repensar lo que durante mucho tiempo ha sido una certeza sobre nuestro universo.

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