impedancibolivariano
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Hace una semana cree un tema sobre la violación de la universalidad leptónica en la desintegracion de muones b en el LHCb, que podría ser una evidencia de que el modelo estándar de partículas, la teoría desarrollada por el hombre más exacta de la historia según sus resultados experimentales estaba incompleta, o tenia discrepancias, ahora nuevamente tenemos inconcordancias, pero esta vez son los resultados experimentales del Ferminal en Chicago sobre el momento angular intrínseco del muón. Les aclaro que un muón es una partícula leptónica de una familia que es más pesada que el electron, tiene la misma carga eléctrica y spin, pero es unas 207 veces más pesado,
Te dejo un video explicativo, para que se entienda lo que sigue más abajo
Los muones se parecen mucho a los electrones, pero 207 veces más masivos. También tienden a desintegrarse extremadamente rápido en electrones y partículas superligeras llamadas neutrinos.
Expuesto a un campo magnético intenso al ser enviado alrededor de un anillo magnetizado de 46 pies en Fermilab, el equipo descubrió que los muones se tambaleaban de maneras totalmente impredecibles que no eran en absoluto esperadas, sorprendiendo a los investigadores.
Según el Modelo Estándar, la teoría fundamental de cómo interactúan las partículas establecida en la segunda mitad del siglo XX, estos movimientos normalmente se pueden medir y predecir con extremo detalle.
Es un momento decisivo para el campo de la física cuántica. Si se confirman, los resultados obtenidos por los experimentos en Fermilab podrían reescribir la forma en que entendemos las leyes fundamentales que gobiernan la física —al menos como las conocemos hoy—.
«Esta cantidad que medimos refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el universo», dijo Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y directora del experimento, en un comunicado oficial. «Pero cuando los teóricos calculan la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtenemos la misma respuesta».
«Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría», agregó Fatemi.
¿Pero qué fuerza de la naturaleza está causando que el muón se tambalee? Los investigadores sugieren que pueden ser fuentes de materia y energía que aún no se han entendido y que no se explican en el Modelo Estándar; en otras palabras, una quinta fuerza fundamental de la naturaleza que se agregaría a la gravedad, el electromagnetismo, así como a la fuerza de interacciones débiles entre núcleos.
Solo los primeros resultados
Los nuevos experimentos, presentados en una serie de artículos enviados a la revista Physical Review Letters, confirman los resultados anteriores encontrados durante experimentos en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001.
«Después de los 20 años que han pasado desde que terminó el experimento de Brookhaven, es muy gratificante estar finalmente resolviendo este misterio», dijo en el comunicado el científico del Fermilab Chris Polly, quien trabajó en ambos experimentos.
Todavía existe la posibilidad de que las nuevas mediciones de Fermilab sean incorrectas: una probabilidad entre 40.000, para ser exactos. Eso significa que los científicos todavía no pueden afirmarlo oficialmente como un descubrimiento según los estándares de la física, tal como señala el New York Times.
Polly también dijo que hasta ahora solo se ha analizado menos del seis por ciento de los datos recopilados por los experimentos de Fermilab. «Aunque estos primeros resultados nos dicen que existe una diferencia intrigante con el Modelo Estándar, aprenderemos mucho más en los próximos años», dijo.
Aún así, los físicos de todo el mundo están encantados. «Claramente, esto es muy emocionante porque potencialmente apunta a un futuro con nuevas leyes de la física, nuevas partículas y una nueva fuerza que no hemos visto hasta la fecha», concluyó el investigador de la Universidad de Manchester y líder del experimento en el Reino Unido, Mark Lancaster.
Se confirma la gran noticia que todo el mundo esperaba hoy: el experimento Muon g−2 en el Fermilab (FNAL)confirma la anomalía observada por BNL en 2001 a 2.7 sigmas, que creció a 3.7 sigmas gracias a mejoras en la estimación teórica, y, más aún, incrementa su significación estadística hasta 4.2 sigmas (combinando el nuevo resultado a 3.3 sigmas con el anterior a 3.7 sigmas). El nuevo resultado para el momento magnético (combinando los datos de FNAL y BNL) es g = 2.00233184122(82), a comparar con la predicción teórica de consenso (junio 2020) de gSM = 2.00233183620(86); o si lo prefieres, se mide una anomalía en el momento magnético de a = (g−2)/2 = 0.00116592061(41), a comparar con el valor teórico aSM = 0.00116591810(43). ¿Significa este resultado que hay nueva física más allá del modelo estándar? No, todavía no. Lo primero, aún no se superan las cinco sigmas. Y, lo segundo, han surgido ciertas dudas sobre la evaluación teórica (la contribución QCD es difícil de calcular hasta el extremo). En los próximos años se espera un enorme esfuerzo teórico para confirmar y/o mejorar la predicción teórica. Solo entonces se podrá afirmar que estamos ante la primera señal de física más allá del modelo estándar.
El experimento E821 en el BNL (Brookhaven National Laboratory) fue trasladado desde Long Island (New York) hasta Batavia (Chicago) para transformarse en el experimento E989. Usando los colisionadores del Fermilab se podía incrementar el número de muones en un factor de 20, lo implica una reducción en la incertidumbre en un factor de 4. Por supuesto, este es el objetivo del experimento E989 que publicará cinco resultados tras cinco tandas (run) de recopilación de datos; los primeros resultados publicados hoy corresponden al primer run (15 semanas en la primavera de 2018), más o menos, al 6 % del total de datos que se espera acumular. Por cierto, el segundo run está siendo analizado y el tercer run está en curso. El objetivo final es alcanzar 7 sigmas de significación para la anomalía, pero dicho número dependerá de cómo mejoren las estimaciones teóricas.
En el experimento Muon g−2 del Fermilab se usa la misma técnica de medición que en el experimento del BNL. A un ritmo de 12 Hz se inyectan muones con un momento lineal de 3.094 GeV/c en un anillo de almacenamiento circular de 14.224 metros de diámetro y 44.69 metros de longitud; el anillo está rodeado de cuadripolos que enfocan los muones para que sigan una trayectoria circular. En reposo, la vida media de un muón es de 2.2 μs, pero con este momento los muones la incrementan en γ ~ 29.3 veces hasta alcanzar ~64.4 μs. En el anillo los muones se desintegran en un positrón (o antielectrón), un neutrino electrónico y un antineutrino muónico; los positrones son detectados por una serie de detectores de silicio para determinar sus trayectorias y de calorímetros electromagnéticos para estimar su energía. Cada inyección tiene una duración de 700 μs (momento en el que se han desintegrado casi todos los muones); en concreto, se inyectan unos diez mil muones, pero como los detectores tienen una eficiencia del 10.7 %, solo se observan unos mil cien muones (con energías > 1.86 GeV).
Todos los muones inyectados están polarizados con su espín alineado en la dirección de movimiento. En el centro del anillo de almacenamiento hay un campo magnético de 1.45 T producido por un imán de 680 toneladas; este campo magnético sobre el anillo es muy uniforme, variando solo entre 14 y 17 por millón (como se muestra en la figura), induciendo un movimiento de precesión de los espines de los muones. Si ocurriera que g=2 exactamente, entonces el periodo de precesión sería igual al periodo ciclotrón y el espín del muón siempre estaría alineado a su momento lineal. Sin embargo, como g > 2 se observa que el espín y el momento se desalinean y se vuelven a alinear de forma periódica; este movimiento se llama precesión anómala y tiene un periodo de unas 27 vueltas en el anillo. El momento lineal de 3.09 GeV/c, llamado «momento mágico», se ha elegido porque minimiza el efecto de los cuadripolos de enfoque sobre la precesión anómala.
Los positrones en los que se desintegran los muones se emiten de forma preferente en la dirección de su espín; la precesión anómala hace que el espectro de energía oscile con un máximo cuando el espín está alineado con el momento lineal y un mínimo cuando el desalineamiento es máximo; en los calorímetros se observará esta oscilación. Para estimar el valor g−2 se recurre al cociente de dos frecuencias, la frecuencia de la precesión anómala ωa (obtenida a partir de la respuesta de los calorímetros) y la frecuencia de precesión ω´p del campo magnético en la trayectoria de los muones (que se mide usando 17 sensores de resonancia magnética nuclear, NMR, en un tanque esférico de agua a 34.7 °C).
El cociente R´ = ωa/ω´p permite determinar la anomalía (g−2)/2; los errores logrados en el numerador y en el denominador son de 438 ppb y 56 ppb, resp. (ppb son partes por millardo), con lo que se logra un error en el anomalía de 460 ppb (0.46 ppm, o partes por millón). En la fórmula (que no explicaré) los coeficientes C en el numerador y B en el denominador indican cada una de las fuentes de error que deben ser estimadas con precisión; lograrlo es todo un alarde de los físicos experimentales.
La medida que se ha obtenido es de aμ(FNAL) = 116592040(54) × 10−11 (0.46 ppm), que se encuentra a 3.3 sigmas de la predicción del modelo estándar, además de estar en excelente acuerdo con el resultado de aμ(BNL). Combinando ambos resultados se obtiene un valor de aμ(FNAL+BNL) = 116592061(41) × 10−11 (0.35 ppm) que se encuentra a 4.2 sigmas de la predicción teórica. Que la significación crezca significa que o bien se ha calculado mal la predicción teórica o bien hay nueva física no considerada en el cálculo teórico. La primera posibilidad no se puede descartar, pues las contribuciones del vacío cromodinámico (QCD), indicada por H sobre fondo gris en la figura, son muy difíciles de calcular con precisión. Pero es la segunda posibilidad la que enciende las mentes calenturientas de los físicos teóricos, deseosos de encontrar física más allá del modelo estándar cuanto antes.
Te dejo un video explicativo, para que se entienda lo que sigue más abajo
Los muones se parecen mucho a los electrones, pero 207 veces más masivos. También tienden a desintegrarse extremadamente rápido en electrones y partículas superligeras llamadas neutrinos.
Expuesto a un campo magnético intenso al ser enviado alrededor de un anillo magnetizado de 46 pies en Fermilab, el equipo descubrió que los muones se tambaleaban de maneras totalmente impredecibles que no eran en absoluto esperadas, sorprendiendo a los investigadores.
Según el Modelo Estándar, la teoría fundamental de cómo interactúan las partículas establecida en la segunda mitad del siglo XX, estos movimientos normalmente se pueden medir y predecir con extremo detalle.
Es un momento decisivo para el campo de la física cuántica. Si se confirman, los resultados obtenidos por los experimentos en Fermilab podrían reescribir la forma en que entendemos las leyes fundamentales que gobiernan la física —al menos como las conocemos hoy—.
«Esta cantidad que medimos refleja las interacciones del muón con todo lo demás en el universo», dijo Renee Fatemi, física de la Universidad de Kentucky y directora del experimento, en un comunicado oficial. «Pero cuando los teóricos calculan la misma cantidad, usando todas las fuerzas y partículas conocidas en el Modelo Estándar, no obtenemos la misma respuesta».
«Esta es una fuerte evidencia de que el muón es sensible a algo que no está en nuestra mejor teoría», agregó Fatemi.
¿Pero qué fuerza de la naturaleza está causando que el muón se tambalee? Los investigadores sugieren que pueden ser fuentes de materia y energía que aún no se han entendido y que no se explican en el Modelo Estándar; en otras palabras, una quinta fuerza fundamental de la naturaleza que se agregaría a la gravedad, el electromagnetismo, así como a la fuerza de interacciones débiles entre núcleos.
Solo los primeros resultados
Los nuevos experimentos, presentados en una serie de artículos enviados a la revista Physical Review Letters, confirman los resultados anteriores encontrados durante experimentos en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001.
«Después de los 20 años que han pasado desde que terminó el experimento de Brookhaven, es muy gratificante estar finalmente resolviendo este misterio», dijo en el comunicado el científico del Fermilab Chris Polly, quien trabajó en ambos experimentos.
Todavía existe la posibilidad de que las nuevas mediciones de Fermilab sean incorrectas: una probabilidad entre 40.000, para ser exactos. Eso significa que los científicos todavía no pueden afirmarlo oficialmente como un descubrimiento según los estándares de la física, tal como señala el New York Times.
Polly también dijo que hasta ahora solo se ha analizado menos del seis por ciento de los datos recopilados por los experimentos de Fermilab. «Aunque estos primeros resultados nos dicen que existe una diferencia intrigante con el Modelo Estándar, aprenderemos mucho más en los próximos años», dijo.
Aún así, los físicos de todo el mundo están encantados. «Claramente, esto es muy emocionante porque potencialmente apunta a un futuro con nuevas leyes de la física, nuevas partículas y una nueva fuerza que no hemos visto hasta la fecha», concluyó el investigador de la Universidad de Manchester y líder del experimento en el Reino Unido, Mark Lancaster.
Se confirma la gran noticia que todo el mundo esperaba hoy: el experimento Muon g−2 en el Fermilab (FNAL)confirma la anomalía observada por BNL en 2001 a 2.7 sigmas, que creció a 3.7 sigmas gracias a mejoras en la estimación teórica, y, más aún, incrementa su significación estadística hasta 4.2 sigmas (combinando el nuevo resultado a 3.3 sigmas con el anterior a 3.7 sigmas). El nuevo resultado para el momento magnético (combinando los datos de FNAL y BNL) es g = 2.00233184122(82), a comparar con la predicción teórica de consenso (junio 2020) de gSM = 2.00233183620(86); o si lo prefieres, se mide una anomalía en el momento magnético de a = (g−2)/2 = 0.00116592061(41), a comparar con el valor teórico aSM = 0.00116591810(43). ¿Significa este resultado que hay nueva física más allá del modelo estándar? No, todavía no. Lo primero, aún no se superan las cinco sigmas. Y, lo segundo, han surgido ciertas dudas sobre la evaluación teórica (la contribución QCD es difícil de calcular hasta el extremo). En los próximos años se espera un enorme esfuerzo teórico para confirmar y/o mejorar la predicción teórica. Solo entonces se podrá afirmar que estamos ante la primera señal de física más allá del modelo estándar.
El experimento E821 en el BNL (Brookhaven National Laboratory) fue trasladado desde Long Island (New York) hasta Batavia (Chicago) para transformarse en el experimento E989. Usando los colisionadores del Fermilab se podía incrementar el número de muones en un factor de 20, lo implica una reducción en la incertidumbre en un factor de 4. Por supuesto, este es el objetivo del experimento E989 que publicará cinco resultados tras cinco tandas (run) de recopilación de datos; los primeros resultados publicados hoy corresponden al primer run (15 semanas en la primavera de 2018), más o menos, al 6 % del total de datos que se espera acumular. Por cierto, el segundo run está siendo analizado y el tercer run está en curso. El objetivo final es alcanzar 7 sigmas de significación para la anomalía, pero dicho número dependerá de cómo mejoren las estimaciones teóricas.
En el experimento Muon g−2 del Fermilab se usa la misma técnica de medición que en el experimento del BNL. A un ritmo de 12 Hz se inyectan muones con un momento lineal de 3.094 GeV/c en un anillo de almacenamiento circular de 14.224 metros de diámetro y 44.69 metros de longitud; el anillo está rodeado de cuadripolos que enfocan los muones para que sigan una trayectoria circular. En reposo, la vida media de un muón es de 2.2 μs, pero con este momento los muones la incrementan en γ ~ 29.3 veces hasta alcanzar ~64.4 μs. En el anillo los muones se desintegran en un positrón (o antielectrón), un neutrino electrónico y un antineutrino muónico; los positrones son detectados por una serie de detectores de silicio para determinar sus trayectorias y de calorímetros electromagnéticos para estimar su energía. Cada inyección tiene una duración de 700 μs (momento en el que se han desintegrado casi todos los muones); en concreto, se inyectan unos diez mil muones, pero como los detectores tienen una eficiencia del 10.7 %, solo se observan unos mil cien muones (con energías > 1.86 GeV).
Todos los muones inyectados están polarizados con su espín alineado en la dirección de movimiento. En el centro del anillo de almacenamiento hay un campo magnético de 1.45 T producido por un imán de 680 toneladas; este campo magnético sobre el anillo es muy uniforme, variando solo entre 14 y 17 por millón (como se muestra en la figura), induciendo un movimiento de precesión de los espines de los muones. Si ocurriera que g=2 exactamente, entonces el periodo de precesión sería igual al periodo ciclotrón y el espín del muón siempre estaría alineado a su momento lineal. Sin embargo, como g > 2 se observa que el espín y el momento se desalinean y se vuelven a alinear de forma periódica; este movimiento se llama precesión anómala y tiene un periodo de unas 27 vueltas en el anillo. El momento lineal de 3.09 GeV/c, llamado «momento mágico», se ha elegido porque minimiza el efecto de los cuadripolos de enfoque sobre la precesión anómala.
Los positrones en los que se desintegran los muones se emiten de forma preferente en la dirección de su espín; la precesión anómala hace que el espectro de energía oscile con un máximo cuando el espín está alineado con el momento lineal y un mínimo cuando el desalineamiento es máximo; en los calorímetros se observará esta oscilación. Para estimar el valor g−2 se recurre al cociente de dos frecuencias, la frecuencia de la precesión anómala ωa (obtenida a partir de la respuesta de los calorímetros) y la frecuencia de precesión ω´p del campo magnético en la trayectoria de los muones (que se mide usando 17 sensores de resonancia magnética nuclear, NMR, en un tanque esférico de agua a 34.7 °C).
El cociente R´ = ωa/ω´p permite determinar la anomalía (g−2)/2; los errores logrados en el numerador y en el denominador son de 438 ppb y 56 ppb, resp. (ppb son partes por millardo), con lo que se logra un error en el anomalía de 460 ppb (0.46 ppm, o partes por millón). En la fórmula (que no explicaré) los coeficientes C en el numerador y B en el denominador indican cada una de las fuentes de error que deben ser estimadas con precisión; lograrlo es todo un alarde de los físicos experimentales.
La medida que se ha obtenido es de aμ(FNAL) = 116592040(54) × 10−11 (0.46 ppm), que se encuentra a 3.3 sigmas de la predicción del modelo estándar, además de estar en excelente acuerdo con el resultado de aμ(BNL). Combinando ambos resultados se obtiene un valor de aμ(FNAL+BNL) = 116592061(41) × 10−11 (0.35 ppm) que se encuentra a 4.2 sigmas de la predicción teórica. Que la significación crezca significa que o bien se ha calculado mal la predicción teórica o bien hay nueva física no considerada en el cálculo teórico. La primera posibilidad no se puede descartar, pues las contribuciones del vacío cromodinámico (QCD), indicada por H sobre fondo gris en la figura, son muy difíciles de calcular con precisión. Pero es la segunda posibilidad la que enciende las mentes calenturientas de los físicos teóricos, deseosos de encontrar física más allá del modelo estándar cuanto antes.
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