Durante más de veinte años, el momento magnético anómalo del muón fue la grieta más prometedora del Modelo Estándar de la física de partículas. Cada medición de la oscilación magnética del muón parecía ligeramente mayor de lo que predecía la teoría, y la brecha se mantuvo estable en torno a 3,7 desviaciones estándar, tentadoramente cerca del umbral de 5 sigma necesario para reclamar un descubrimiento, pero demasiado persistente para ignorarla. Si la discrepancia era real, significaba que partículas desconocidas contribuían con fluctuaciones cuánticas que el Modelo Estándar no podía explicar. La búsqueda de esas partículas se convirtió en una de las prioridades más altas de la física fundamental.
En abril de 2021, una colaboración conocida como BMW publicó en Nature un artículo que cambió el panorama. Mediante la cromodinámica cuántica en retículos (QCD), un método que simula la fuerza nuclear fuerte desde primeros principios en un superordenador, el grupo calculó la contribución hadrónica de orden principal al momento magnético del muón con una precisión sin precedentes. Su resultado fue 707,5 × 10^-10, con una incertidumbre total de 5,5 × 10^-10. Al combinarse con otras contribuciones del Modelo Estándar, ese valor coincidió con la medición experimental y cerró la brecha que había impulsado la búsqueda de nueva física.
El resultado de BMW hizo algo más. Introdujo un desacuerdo con el método alternativo para calcular la misma magnitud, una técnica conocida como relación R o método dispersivo que se apoya en décadas de datos experimentales de colisionadores de electrones y positrones. Las determinaciones de la relación R, elaboradas por los grupos de Davier, Keshavarzi y de Colangelo y Hoferichter, convergen en valores en torno a 692 a 694 × 10^-10, con incertidumbres de 2,4 a 4,0. El resultado de retículo de BMW es 2,0 a 2,5 sigma mayor que esas cifras de la relación R.
Esta tensión es la verdadera historia. No es un conflicto entre teoría y experimento, sino entre dos formas de conocer dentro de la propia teoría.
El cálculo de BMW, dirigido por Szabolcs Borsanyi y Kalman Szabo en la Universidad de Wuppertal, con colaboradores de la Universidad Eotvos de Budapest y de la Universidad de Aix-Marsella, representa la culminación de una década de avances en QCD en retículos. El método consiste en discretizar el espacio-tiempo en una cuadrícula tetradimensional de puntos, colocar los campos de quarks en los puntos de la cuadrícula y los campos de gluones en los enlaces entre ellos, y resolver numéricamente las ecuaciones de la cromodinámica cuántica. El cálculo exige una potencia de cómputo enorme: el grupo acumuló más de 20.000 configuraciones en retículos con una extensión espacial de aproximadamente 6 femtómetros y desarrolló sofisticadas técnicas de reducción de ruido basadas en los modos propios más bajos del operador de Dirac para alcanzar la precisión necesaria.
El resultado fue un avance decisivo en la metodología de retículos. El equipo incluyó efectos de electrodinámica cuántica, permitió que los quarks arriba y abajo tuvieran masas distintas, calculó explícitamente todas las contribuciones de ruptura de la simetría de isospín en lugar de estimarlas, realizó estudios específicos de tamaño finito y aplicó un procedimiento de mejora del sabor para reducir los artefactos de retículo en la extrapolación al continuo. La precisión relativa total del 0,8 por ciento representa un avance sustancial respecto a los cálculos de retículo anteriores.
El método de la relación R funciona de otra manera. Toma la sección eficaz medida experimentalmente de la aniquilación de electrones y positrones en hadrones, la integra con una función kernel derivada de la electrodinámica cuántica y extrae directamente la contribución de la polarización del vacío hadrónica. El método es conceptualmente más simple y se ha refinado durante décadas, con múltiples experimentos independientes, entre ellos BABAR en SLAC, en California; KLOE en Frascati, en Italia, y BESIII en Pekín, que proporcionan verificaciones cruzadas de los datos. Los resultados de la relación R están muy correlacionados entre sí porque se nutren del mismo conjunto de mediciones experimentales, pero esas mediciones fueron producidas por detectores diferentes, en laboratorios diferentes y con técnicas diferentes, lo que hace improbable un sesgo sistemático.
El propio artículo de BMW reconoce la tensión con cautela. Los autores señalan que la discrepancia entre su resultado de retículo y los valores de la relación R es menor que la que constituiría evidencia de un fenómeno nuevo (3 sigma) y mucho menor que la que constituiría un descubrimiento (5 sigma). Pero también apuntan a una comparación específica más inquietante: cuando restringen el cálculo a un observable de ventana conocido como a_mu_win, que sondea escalas de distancia más cortas y resulta más fácil de calcular de forma fiable en el retículo, la tensión crece hasta 3,7 sigma. Y en esta ventana, grupos independientes de retículo han publicado resultados que también divergen parcialmente entre sí, ya que el resultado de BMW difiere en 2,2 sigma del cálculo de retículo de Blum y colaboradores y en solo 0,2 sigma del de Aubin y colaboradores.
La pregunta que se plantea a continuación no es si existen partículas nuevas. Es si se puede confiar en el Modelo Estándar como marco predictivo cuando sus propios métodos internos discrepan. El cálculo de retículo dice que la oscilación del muón es coherente con la física conocida. El método de la relación R dice que no lo es. No pueden tener razón ambos a la vez. La elección entre ellos determinará si la física de partículas continúa la búsqueda de nuevas partículas a través del canal del muón o acepta que la anomalía era un artefacto de un cálculo incompleto.
Desde 2021, grupos independientes de retículo han publicado sus propios cálculos, y la mayoría se ha movido en la dirección del resultado de BMW, aunque con niveles de coincidencia variables. El experimento Muon g-2 del Fermilab ha seguido recopilando datos, con el objetivo de reducir la incertidumbre experimental en un factor de cuatro. El colisionador VEPP-2000 de Novosibirsk ha publicado una nueva medición de la sección eficaz de producción de piones que desplaza la predicción de la relación R hacia arriba, en dirección al resultado de retículo, pero esa medición discrepa a su vez de experimentos antiguos y bien establecidos, lo que crea un conflicto secundario dentro de la tradición experimental.
El muón no ha revelado partículas nuevas. Ha revelado algo quizá más inquietante: que las herramientas que los físicos usan para entender el mundo no siempre coinciden, y que resolver su desacuerdo no requiere mejores experimentos, sino una mejor comprensión de lo que cada método sabe realmente.
References
Borsanyi, Sz., Fodor, Z., Guenther, J. N., et al. Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD. Nature 593, 51-55 (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1
Davier, M., Hoecker, A., Malaescu, B., & Zhang, Z. A new evaluation of the hadronic vacuum polarisation contributions to the muon anomalous magnetic moment and to alpha(mZ2). European Physical Journal C 80, 241 (2020). DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-7792-2
Keshavarzi, A., Nomura, D., & Teubner, T. g-2 of charged leptons, alpha(MZ2), and the hyperfine splitting of muonium. Physical Review D 101, 014029 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.101.014029
Muon g-2 Collaboration. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Physical Review Letters 126, 141801 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
Traducido por Alessandra