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Midiendo el bamboleo de un muón

El avance científico podría ser tan simple como medir el bamboleo de un muón

Midiendo el bamboleo de un muón
Un gráfico muestra rastros de colisiones de partículas en el Solenoide Compact Muon en la exposición Universo de partículas el 13 de diciembre de 2011 en Ginebra.

Por Don Lincoln, para CNN News 13 de febrero de 2018


La semana pasada fue emocionante para los científicos. No, no solo por el impresionante lanzamiento del cohete Falcon Heavy de SpaceX, sino también porque una nueva instalación científica ultraprecisa está comenzando a operar en el Fermi National Accelerator Laboratory, en las afueras de Chicago. La instalación, llamada experimento g-2 (pronunciado "g menos 2" podría llevar a la comunidad científica mundial a reescribir los libros de texto.

El universo que nos rodea es un lugar extraordinario y es igualmente sorprendente que nosotros, los humanos pequeños, podamos entender tanto sobre él. Podemos usar potentes telescopios para mirar a miles de millones de años luz y ver la firma de su creación. Podemos utilizar los destruidores de átomos gigantes para determinar los bloques de construcción del cosmos y, literalmente, recrear las condiciones presentes en el Big Bang. La humanidad ha aprendido muchísimo sobre la historia de nuestra existencia.

Pero no sabemos todo. Hay misterios que mantienen a los científicos despiertos por la noche. No sabemos la naturaleza exacta de la materia oscura y la energía oscura, que constituyen el 95% de la materia y la energía en el universo. No sabemos qué hizo que el universo comenzara. No sabemos muchas cosas.

A los científicos como yo no nos gusta ser ignorantes, por lo que estamos constantemente haciendo mediciones que pueden alzar el velo sobre al menos parte de nuestra ignorancia. Una medición particularmente interesante se realizó en 2001 en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island. Utilizando el mismo equipo g-2, los investigadores midieron con mucha precisión una propiedad de una partícula subatómica llamada muón y la medición no estuvo en gran acuerdo con lo que los científicos habían predicho.

Los muones son partículas subatómicas, esencialmente primos regordetes de electrones. Debido a que ambos giran y tienen carga eléctrica, cada muón es un pequeño imán. Y si pones un imán en un campo magnético, se tambaleará como una parte superior. Fue la tasa de oscilación que se midió.

Los muones tambaleantes suenan como algo esotérico para estudiar, pero hay muchas razones por las cuales esta medición es realmente fascinante. Primero, la oscilación del muón se ve afectada por lo que se llama espuma cuántica. La espuma cuántica es una idea disparatada que, en el nivel subatómico, las partículas parpadean dentro y fuera de la existencia mucho más rápido que un abrir y cerrar de ojos. Esta danza frenética está ocurriendo en cada punto del espacio, incluido el que estás sentado en este momento. Puede imaginarse cómo es imaginarse burbujas en la espuma de la cabeza de una buena pinta de Guinness, de ahí el término "espuma cuántica".

En la espuma, todas las posibles partículas subatómicas aparecen y desaparecen brevemente. Por lo tanto, cuando esta medición y cálculo están en desacuerdo, podría ser porque el cálculo solo toma en cuenta partículas conocidas y la discrepancia es causada por partículas desconocidas que no fueron tomadas en cuenta.

Es como si una pareja rica tuviera un equipo para limpiar su casa. Si la casa está más limpia de lo que puede ser explicado por el personal que ven durante el día, tal vez haya un turno de noche del que no sabían nada. Si esta es la causa de esta discrepancia, nos hará reescribir nuestras teorías más fundamentales sobre los mismos bloques de construcción del universo.

Otra faceta muy interesante de la medición de muones tambaleantes es su precisión. Los científicos de Brookhaven realizaron una de las mediciones más precisas de la ciencia moderna, con una precisión de 12 dígitos. Para dar una idea de lo bueno que es, es como medir la distancia de la Tierra al Sol con una precisión de un milímetro. Esto es solo un logro increíble.

Esta precisión tiene otro aspecto fascinante: normalmente en los experimentos de física de partículas, la clave de los descubrimientos es concentrar una cantidad increíble de energía en un espacio pequeño. Esta es la ecuación de Einstein E = mc² en acción.

El acelerador de partículas más grande del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, ubicado en el laboratorio CERN, a las afueras de Ginebra, Suiza. Sin embargo, aunque el LHC ha estado funcionando desde 2010 y ha realizado mediciones brillantes, sus haces de muy alta energía no han generado evidencia de partículas no descubiertas. Quizás el camino hacia adelante vendrá no de alta energía, sino más bien de precisión.

El equipo Fermilab g-2 está compuesto por una serie de poderosos imanes dispuestos en un anillo de unos 50 pies (15 metros) de ancho. Por el contrario, el LHC es casi 600 veces más grande, con energías mucho más altas. Está en la precisión que el equipo g-2 es muy superior y este podría ser un caso en el que un bisturí es un instrumento mejor que un martillo.

La medición original de g-2 se realizó en Brookhaven, con una discrepancia tentadora. La probabilidad de un descubrimiento de física actualmente desconocida, lo que los investigadores llaman sigma, se define como la diferencia entre medición y predicción, dividida por la incertidumbre combinada de ambos. Un sigma de 3.0 se considera el umbral para reclamar evidencia de ver algo nuevo, pero se necesita un sigma de 5.0 para reclamar un descubrimiento. La medida original fue 3.5, muy interesante, pero no concluyente.

Normalmente, lo que sucedería es que los experimentadores repetirían y extenderían el experimento para obtener una medición más precisa, pero la instalación tenía problemas técnicos que no eran fáciles de superar.

Afortunadamente, el acelerador de partículas de Fermilab podría crear más muones para estudiar. Así que en 2013, los científicos empacaron el anillo de imanes de 50 pies de ancho y los enviaron a Fermilab por medio de una barcaza que descendió por la costa este y subió por el río Mississippi. (Dato curioso: hay una historia, contada entre algunos residentes cerca de Brookhaven, de que el laboratorio albergaba un platillo volador capturado que estaban estudiando. Luego, un día a altas horas de la noche, un camión con una lona envuelta, 50 pies - Un gran disco salió del laboratorio, rodeado por una fuerte escolta policial, con luces encendidas. ¡Dime que esto no se sumó a la leyenda!)

Los científicos de Fermilab restauraron el anillo g-2 y agregaron nuevos equipos. Después de años de pruebas, han comenzado a operar. Es posible que los datos que registran esta primavera impulsen la discrepancia sobre ese umbral tan importante de 5.0 sigma.

Entonces, ¿G-2 hará un descubrimiento de nuevas partículas subatómicas? Nadie puede decir que lo hará. Para citar a Yogi Berra, es difícil hacer predicciones, especialmente sobre el futuro. Sin embargo, hay muchos ejemplos de "casi descubrimientos" con una discrepancia de 3 sigma, que han desaparecido al enfrentarse a datos adicionales. Este podría ser el caso con el resultado g-2 existente. Pero personalmente estoy esperanzado de que esta medida sea la que cambie las reglas del juego.

El g-2 ha comenzado a funcionar y los investigadores recopilarán datos durante la primavera y lo analizarán durante el otoño. Siendo realistas, pasará un año antes de que hagan un anuncio sobre el resultado de la medición.

Básicamente, los experimentadores g-2 de hoy son como los marineros intrépidos de la era de la exploración. Armados con un mapa incompleto de una expedición anterior, navegarán hacia lo desconocido, en busca de El Dorado. Ahora tendremos que esperar para ver si regresan con barcos llenos de oro.



El Dr. Don Lincoln, un físico senior en Fermilab, investiga usando el Gran Colisionador de Hadrones. Es el autor de "El gran colisionador de hadrones: la historia extraordinaria del bosón de Higgs y otras cosas que harán volar tu mente", y produce una serie de videos de educación científica. Síguelo en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son suyas.

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