¿Por Qué Medir Una Partícula Pequeña Y Giratoria Es Tan Importante?

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El experimento g-2 ha comenzado y tiene el potencial de sacudir el modelo reinante de la física de partículas.

Don Lincoln es un científico principal del Fermilab del Departamento de Energía de los EE. UU., La institución líder de investigación en física de partículas del país. También escribe sobre ciencia para el público, incluido su reciente "El Gran Colisionador de Hadrones: La extraordinaria historia del Higgs Boson y otras cosas que harán volar tu mente"(Johns Hopkins University Press, 2014). Puedes seguirlo en Facebook. Lincoln contribuyó este artículo a WordsSideKick.com's Voces de expertos: Op-Ed & Insights.

Los descubrimientos científicos vienen en muchas formas, como la sorpresa de la radioactividad o la larga búsqueda del pronosticado bosón de Higgs. Pero algunos descubrimientos se mezclan, con una pista en los datos que apuntan a mediciones futuras que pueden tomar años. Un estudio científico del tercer tipo se está iniciando ahora, y la recompensa para la física podría ser enorme.

El martes (6 de febrero), una colaboración de 190 científicos que operan en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Illinois comenzó a usar una serie de imanes dispuestos en un anillo de 50 pies (15 metros) de diámetro para realizar una de las mediciones más precisas que se hayan realizado. En esta investigación, llamada el experimento g-2 (pronunciado "g menos 2"), o simplemente g-2 para abreviar, los científicos medirán lo que se llama el momento magnético anómalo de la rara partícula subatómica llamada muón, que es una pesada El primo del electrón y gira como una especie de parte superior. El muón, sin embargo, existe por solo 2.2 millonésimas de segundo cuando está en reposo. [Más allá de Higgs: 5 partículas evasivas que pueden estar al acecho en el universo]

El momento magnético, esencialmente una medida de la fuerza del imán creado por cada muón, se ha medido y calculado con una precisión de una parte en 1012. Eso es como medir la distancia entre la Tierra y el sol con una precisión de un milímetro. Actualmente, la predicción y la medición no coinciden, y esta discrepancia podría ser el primer indicio de la física más allá del Modelo Estándar, que es nuestra teoría actual que describe el mundo subatómico.

Eso sería un gran problema, porque los físicos como yo estaríamos encantados de abrir un agujero en la teoría reinante. Si se encuentra este agujero, dará lugar a un modelo científico nuevo y mejorado que hace un mejor trabajo que el existente. Dado que la teoría existente es bastante exitosa, esto será un verdadero avance en el conocimiento.

Cuando se colocan en un campo magnético, estos pequeños muones precesar, o tambalearse de cierta manera. En un campo magnético, podemos detectar algo llamado la frecuencia de precesión del bamboleo. Esta medida implica la carga de la partícula y el factor g, que se utiliza para distinguir entre casos específicos: en la teoría clásica, g = 1, y en la teoría cuántica ordinaria (por ejemplo, no relativista), g = 2.

Justo después de la Segunda Guerra Mundial, las mediciones de g para electrones mostraron una pequeña discrepancia con respecto al valor teórico "2", con un resultado experimental de 2.00232. Esta discrepancia surge de los efectos descritos por la teoría de la electrodinámica cuántica o QED. Para enfocarse en la discrepancia (0.00232), los investigadores restaron el "2", que es donde surge el nombre para el experimento (g-2).

En la electrodinámica cuántica, investigamos, entre otras cosas, la existencia de partículas virtuales, o lo que a veces se llama la espuma cuántica. Las partículas virtuales son un baño de materia y partículas de antimateria que aparecen durante una pequeña fracción de segundo y luego desaparecen como si nunca hubieran existido. Ocurren en todas partes en el espacio, pero son especialmente importantes cuando aparecen cerca de partículas subatómicas.

Desde 1997 hasta 2001, los investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven, en Upton, Nueva York, midieron el factor g de muon con una precisión de 12 dígitos significativos y compararon ese resultado con cálculos teóricos que lograron una precisión similar. Los dos resultados no estuvieron de acuerdo. Para comprender la importancia del desacuerdo, debe comprender la incertidumbre de ambos. (Por ejemplo, si preguntó cuál de las dos personas era la más alta, si su incertidumbre de medición para cada persona era de 2 pies o 0,6 m, es poco probable que pueda llegar a una conclusión).

La diferencia entre medición y predicción, dividida por la incertidumbre combinada (lo que los científicos llaman sigma) es 3.5. En física de partículas, un sigma de 3.0 se considera evidencia, pero un verdadero descubrimiento requiere un significado de 5.0.

Normalmente, uno esperaría que los experimentadores de Brookhaven hubieran mejorado su aparato y recopilado más datos, pero había obstáculos técnicos que el laboratorio no podía superar. Entonces, los investigadores decidieron mover el anillo g-2 a Fermilab, que tiene un acelerador que podría entregar más muones. Luego, el equipo se despachó 3,200 millas (más de 5,100 kilómetros) en barcaza por la costa este y por el río Mississippi. Llegó a Fermilab en julio de 2013. [Los 18 misterios sin resolver más grandes en física]

En los años intermedios, el anillo fue completamente renovado, con detectores y dispositivos electrónicos muy mejorados. El nuevo aparato tiene capacidades superiores. (Dato curioso: hay una leyenda, que se repite entre algunos de los vecinos de Brookhaven, de que el laboratorio albergaba un platillo volador estrellado. Luego, en la oscuridad de la noche, un camión con una escolta policial pesada salió del laboratorio cargando una lona envuelta, 50 -peso cruzado. Dígame que esto no confirmó las sospechas de esas personas.

La colaboración Fermilab g-2 ha comenzado operaciones. Primero encargarán el aparato y luego registrarán los datos en serio.La toma de datos continuará hasta principios de julio.

Entonces, ¿cuál podría ser el resultado? Si todo funciona como se espera, y si el valor de g medido en Fermilab es el mismo que el de Brookhaven, los datos registrados esta primavera en Fermilab podrían tener un significado de 5 sigma cuando se combinan con los datos registrados en Brookhaven. Eso significaría un descubrimiento.

Por otro lado, el resultado medido en Fermilab podría diferir de la medición de Brookhaven. La nueva medición podría estar de acuerdo con el cálculo, en cuyo caso la discrepancia desaparecería.

Pero ¿y si g-2 hace un descubrimiento? ¿Cuál sería el resultado probable? Como mencioné anteriormente, el momento magnético anómalo del muón es muy sensible a la existencia de partículas virtuales cercanas. Estas partículas virtuales cambian ligeramente el momento magnético del muon. Además, el acuerdo ultrapreciso entre medición y cálculo no sería posible si las partículas virtuales no existieran.

Sin embargo, y tal vez obviamente, el cálculo utilizó solo partículas virtuales subatómicas conocidas. Una posible explicación para la discrepancia observada es que existen partículas subatómicas adicionales, actualmente desconocidas, en la espuma cuántica.

Vale la pena señalar que, durante décadas, los descubrimientos de partículas subatómicas fueron la causa de los aceleradores de partículas altamente energéticos. La famosa ecuación de Einstein E = mc2 Describe cómo la energía y la masa son lo mismo. Entonces, para descubrir partículas pesadas, solo necesitabas mucha energía para hacerlas. Actualmente, el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN es el acelerador más poderoso del mundo.

Sin embargo, el método de fuerza bruta de hacer partículas no es la única forma de explorar el reino de alta energía. El principio de incertidumbre de Heisenberg dice que los eventos que son energéticamente "imposibles" pueden ocurrir, si ocurren por un tiempo suficientemente corto. Por lo tanto, es posible que las partículas virtuales que normalmente no existen puedan aparecer en la luz el tiempo suficiente para afectar el momento magnético del muon. Si es así, entonces una medida muy precisa revelaría su existencia. Esta es quizás una situación en la que un escalpelo funciona mejor que un martillo, y tal vez el experimento g-2 basado en Fermilab podría vencer al CERN LHC.

Pero primero, una nota de precaución: la historia de la ciencia está repleta de ejemplos de discrepancias 3-sigma que desaparecieron cuando se confrontaron con datos adicionales. Entonces, nadie debería apostar sobre el resultado de esta medida. La discrepancia podría ser simplemente una casualidad estadística. Sin embargo, no hay duda de que la medición Brookhaven g-2 podría ser la primera indicación de un descubrimiento que cambió el paradigma. Los datos registrados esta primavera se analizarán durante el otoño y se podrían informar en menos de un año. Si bien la precaución está claramente justificada, la primera ejecución del experimento g-2 debe observarse con gran anticipación.

Artículo original en WordsSideKick.com.


Suplemento De Vídeo: EL MEJOR EXPERIMENTO CASERO DEL MUNDO, REVELA PARTÍCULAS SUBATÓMICAS EN CASA! |NQUEH.




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