Físicos de la colaboración internacional Muon g-2 han logrado una precisión sin precedentes en la medición del momento magnético del muón, superando el récord anterior en más del doble. Este logro se obtuvo como resultado de experimentos realizados en el laboratorio Fermilab en EE. UU., donde los muones, a menudo llamados "electrones pesados", se aceleraron casi a la velocidad de la luz en un anillo de almacenamiento de partículas.
La esencia del experimento consistió en colocar estos muones en un campo magnético, aproximadamente 30 000 veces más fuerte que el de la Tierra. A medida que los muones se movían a lo largo de un anillo de 7,1 metros de diámetro, sus momentos magnéticos causaban precesión u oscilación alrededor del eje de su espín. Esta precesión dependía tanto del campo magnético externo como de las partículas virtuales presentes en el vacío. Al comparar la frecuencia de esta precesión con la frecuencia de rotación de los muones alrededor del anillo, los investigadores determinaron el momento magnético anómalo del muón con una precisión de 0,2 partes por millón.
Esta medición se basa en experimentos anteriores iniciados en 2006 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. La precisión actual es 2,2 veces superior al récord anterior establecido por el mismo grupo de investigación. La colaboración Muon g-2 consta de 181 científicos de siete países y 33 instituciones. Su último trabajo fue publicado en la revista Physical Review D.
Los muones son 207 veces más masivos que los electrones, pero por lo demás son idénticos, poseyendo la misma carga eléctrica y espín. La determinación de los momentos magnéticos de los leptones es una tarea compleja que requiere alta precisión. La predicción teórica del momento magnético del muón se basa en la electrodinámica cuántica (QED) y requiere el cálculo de una multitud de diagramas de Feynman complejos.
Sin embargo, la teoría que predice el momento magnético anómalo del muón difiere de la teoría del electrón y es más difícil de predecir. Los resultados de la QED son aplicables de la misma manera que para el electrón, pero con dos consideraciones adicionales: la contribución de la teoría electrodébil y la contribución de los hadrones en el Modelo Estándar.
Dentro del anillo de almacenamiento en Fermilab, cada 1,4 segundos se introduce en el anillo un pulso de ocho grupos de muones, seguido del mismo patrón aproximadamente 267 milisegundos después. De esta manera, cada vez entran en el anillo alrededor de 100 000 muones positivos, el 96% de los cuales tienen espín polarizado. Los datos se recopilaron de marzo a julio de 2019 y de noviembre de 2019 a marzo de 2020. Estos segundo y tercer lanzamientos contenían más de cuatro veces más datos que el lanzamiento de 2018, y en general los datos abarcan tres años.
Los experimentadores hicieron correcciones por muchos factores sistemáticos que podrían haber distorsionado los resultados. Aunque la medición actual mejora la precisión en más del doble, el grupo llegó a la conclusión de que la comparación con las predicciones teóricas aún no es posible. Incluso para los electrones, se necesitan datos experimentales anteriores para ajustar la teoría de los efectos hadrónicos, y los dos experimentos disponibles para este ajuste difieren. Por lo tanto, el valor de la alta precisión para el momento magnético del muón también es limitado.
Se espera que el análisis de tres años más de datos conduzca a una mejora de la precisión estadística de aproximadamente el doble. Este logro representa un importante paso adelante en la comprensión de las propiedades fundamentales de la materia y podría ayudar a descubrir nuevos fenómenos físicos más allá del Modelo Estándar.
La colaboración Muon g-2 es un grupo de investigación internacional dedicado a la medición del momento magnético de los muones, partículas elementales similares a los electrones, pero más masivas. El proyecto se lleva a cabo en Fermilab en los EE. UU. e incluye mediciones e investigaciones teóricas destinadas a verificar la precisión de las predicciones del Modelo Estándar de la física de partículas y la búsqueda de posibles nuevos fenómenos. El experimento no solo amplía el conocimiento sobre los muones, sino que también tiene consecuencias potenciales para una comprensión más profunda de la naturaleza de la materia y las leyes físicas que operan en el Universo.
La Muon g-2 Collaboration incluye científicos de diferentes países, incluida Rusia. Los investigadores rusos hacen contribuciones significativas a varios aspectos del proyecto, incluidos los cálculos teóricos, las mediciones experimentales y el análisis de datos, lo que subraya la importancia de la cooperación internacional para lograr los objetivos del proyecto.
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