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Una nueva física más allá del universo como lo conocemos

El mismo advierte la posible existencia de una fuerza o partícula desconocida, que se sumaría a las partículas elementales que forman la materia conocida del universo en dos grupos: quarks y leptones, y por otro contiene tres de las interacciones fundamentales: la electromagnética, la débil y la fuerte.
 

El modelo estándar de partículas se consolidó en los años 70 y desde entonces ha sido un modelo exitoso por cuenta de las predicciones y del buen apego a las pruebas experimentales a las que se ha sometido el modelo. Quizás el éxito más reciente fue la predicción del bosón de Higgs, responsable de dar masa a las partículas, el cual fue descubierto en 2012 por los experimentos del gran colisionador de hadrones en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).
 

Sin embargo, algunos físicos no creemos que el modelo estándar de partículas sea la teoría final que describa las partículas elementales y que es más bien una teoría efectiva para describir el universo conocido.
 

El modelo teórico presenta varias dificultades, como por ejemplo no involucrar la fuerza gravitatoria (la cuarta fuerza fundamental), o tener muchos parámetros de entrada que es necesario fijar para tener capacidad predictiva, o que no explica el origen de masas muy grandes y masas muy pequeñas dentro del mismo modelo.
 

Por eso creemos que hay algo más, que debe existir física más allá del modelo estándar de partículas y que dicha física nueva podría estar relacionada con nuevas partículas de materia, o quizás sean nuevas fuerzas fundamentales.
 

Puedes leer: Entendiendo el origen del Universo.
 

¿Pero cómo podemos conocer cuál es esa nueva física? Las opciones por ahora son dos: la primera es buscar evidencia directamente en los experimentos de esa nueva física, o sea nuevas partículas, nuevas interacciones y nuevas dimensiones, entre otras, y eso lo están haciendo experimentos como ATLAS y CMS en el CERN, y hasta el momento no han encontrado nada.
 

La segunda opción es buscar fallas en las predicciones del modelo estándar de algún experimento; en esta se han encontrado varias sorpresas recientemente. Los experimentos de altas energías son bastante sofisticados y se han vuelto muy precisos, pues hablamos de medidas experimentales que miden muchas cifras decimales, y la idea es que el modelo estándar es muy bueno prediciendo cada cifra.
 

El punto es medir cada vez mejor, cada vez más cifras y ver en cuál cifra falla el modelo y ver porqué falla. Desde hace ya un tiempo estas pruebas de alta precisión se han convertido en el dolor de cabeza para el modelo estándar, pero en las últimas semanas ha sido mayor la presión por los anuncios de los resultados del LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment, Experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN (Europa) y del FNAL en el Laboratorio de Aceleración y Física de Partículas de Estados Unidos (Fermilab).
 

En LHCb nos especializamos en partículas compuestas por quark tipo b, por eso la b en el nombre LHCb. Se llaman mesones B, los cuales se desintegran rápidamente en otras partículas, específicamente en otro mesón llamado Kaon y en dos muones o en dos electrones.

Los muones son leptones como los electrones (se puede decir que los muones son como los electrones pero algo así como 200 veces más pesados). En el modelo estándar la tasa de desintegración en dos electrones es igual a la taza de cuando ocurren dos muones. Esto se le llamó “Universalidad leptónica”, que no es más que decir que su acople es el mismo, igual para todos los leptones: muones o electrones.
 

El LHCb midió las dos opciones y encontró que hay una diferencia, y parece que hay más opción de tener electrones que muones, y por lo tanto no hay universalidad leptónica; la diferencia entre lo predicho por el modelo estándar y el experimento es de 3,1 sigma.
 

Para los físicos todas las medidas tienen un error; si nuestra predicción teórica está dentro del error experimental, decimos que está “de acuerdo”, si se aleja del valor central del experimento en uno, dos, o tres veces el error experimental, decimos que “está uno, dos o tres sigma” alejado del valor experimental encontrado. En cambio, si el modelo es bueno debe estar cerca del valor, a uno dos sigma. Cuando está a 3 sigma decimos que “está bastante mal” y que hay evidencia de que falla; pero si logramos tener 5 sigma de diferencia decimos que “hay descubrimiento de la falla”. El resultado del LHCb indica entonces evidencia de una falla en el modelo estándar de partículas.
 

Por otro lado, en el Fermilab se anuncia otra falla del modelo estándar, asociado con una medición de precisión del muón. Sí, otra vez los muones, los cuales tienen una propiedad cuántica llamada espín, que tiene mucho que ver en el comportamiento del muón en presencia de un campo magnético.
 

Puedes ver: Todo lo que necesitas saber sobre el Bosón de Higgs.
 

De hecho, hay una proporcionalidad entre el momento magnético y el espín, esa constante la llamaron “factor giromagnético del muón”, y en la teoría cuántica de Dirac, es g = 2. Sin embargo, el modelo estándar dice que ese valor no es exactamente 2 sino algo ligeramente diferente, y se trata de determinar esa diferencia, el factor g-2.
 

El experimento es muy preciso: usa un anillo de más o menos 14 m de diámetro y 45 m de longitud donde inyectan muones con una velocidad bastante alta. La velocidad es tal que los muones que apenas viven 2,2 microsegundos sienten los efectos relativistas y viven 30 veces más, o sea como 64 microsegundos. En el centro del anillo hay un imán de 680 toneladas que produce un campo magnético de 1,5 teslas (unidad de inducción magnética del Sistema Internacional de Unidades), lo que es muy grande.
 

Con este arreglo experimental la colaboración g-2 del muón del Fermilab anunció una discrepancia respecto al modelo estándar de 3,3 sigma. El resultado es acorde con resultados experimentales previos realizados en el Brookhaven National Lab y que si combinamos los resultados se obtiene un emocionante 4,2 sigma de desviación respecto al modelo estándar.
 

El anuncio ha causado gran expectativa y se suma al anuncio de la falla en la universalidad leptónica, pero aún debemos ser cautos y esperar más resultados experimentales. En efecto debemos alcanzar el anhelado 5 sigma en alguno de estos experimentos, y para esto las colaboraciones internacionales están trabajando para quizás en 2022 tener nuevos hallazgos.
 

Por último, hay serias dudas respecto a la precisión en los cálculos teóricos en el factor g-2 del muón, y algunos teóricos creen que realmente el modelo estándar no está fallando en este caso, sino que se debe a una mala estimación del cálculo teórico. Son momentos interesantes para el desarrollo de la física de partículas; quizás estos resultados se mantengan y nos indiquen que hay nuevas partículas, nuevas fuerzas fundamentales que nos ayuden a entender cómo se formó nuestro universo.

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