Els primers resultats de l’experiment Muon g-2 confirmen una discrepància amb el Model Estàndard

Física de partícules: Aquest dimecres 7 d’abril, Kevin Pitts, Aida El-Khadra i Chris Polly presentaven en un seminari especial els primers resultats de l’experiment Muon g-2, que es realitza al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a Batavia (Illinois). Aquest experiment explora les interaccions dels muons en un camp magnètic fort en condicions de buit. D’acord amb els resultats, que es presenten en un article a la Physical Review Letters, la mesura del moment magnètic del muó presenta una anomalia respecte del valor derivat del Model Estàndard de la Física de Partícules. Per bé que aquesta anomalia era coneguda (per exemple per l’experiment realitzat al Brookhaven National Laboratory ara fa 20 anys), l’aportació d’aquesta primera fase del Muon g-2 és determinar-la amb una precisió 4,6·10^-10. Augmenta, doncs, el marge de confiança per dir que el Model Estàndard és incomplet, i que els muons interactuarien amb partícules o forces que no hi són incorporades.

En el Model Estàndard de Partícules Elementals, el muó seria l’homòleg de segona generació de l’electró. Comparteix amb l’electró la mateixa càrrega elèctrica (-1) i l’espín (1/2), però té una massa prop de 207 vegades la de l’electró. Amb una semivida de 2·10^-6 segons, els muons a l’atmosfera terrestre es generen per col·lisions amb raigs còsmics.

L’experiment Muon g-2

L’objectiu de l’experiment Muon g-2 és examinar la precessió de muons sotmesos a un camp magnètic. El valor teòric acceptat del factor g és de 2,00233183620(86) i el del moment magnètic anòmal (a^μ) de 0,00116591810(43). En el 2001, el Laboratori de Brookhaven trobà un valor de a^μ superior al rang predit pel model estàndard. Vint anys després, l’experiment Muon g-2 té la capacitat de mesurar la precessió del muó amb una precisió de 1,4·10^-7.

Anell superconductor d’emmagatzematge magnètic de 15 metres de diàmetre, al qual es connecta la línia d’emissió de muons i altres equipaments. L’experiment Muon g-2 es realitza a una temperatura de 5,4 K. Els detectors valoren la precessió experimentada pel corrent de muons com a conseqüència del seu pas a través del camp magnètic.

En el 2013 s’instal·là al Fermilab el component principal de l’experiment de Brookhaven, un anell d’emmagatzemament magnètic superconductor de 15 metres de diàmetre. En els quatre anys següents es realitzen els treballs de muntatge de tots els components de l’experiment, i de calibratge i verificació de la uniformitat del camp magnètic.

La font de muons utilitzada en l’experiment es basa en el mateix principi que genera muons en l’atmosfera terrestre: els impactes hadró-hadró, que produeixen corrents de pions que ràpidament (nanosegons) decauen a muons.

En el 2018 començà l’experiment Muon g-2. En aquesta primera sessió s’analitzaren els moviments de 8·10⁹ muons, cosa que ha requerit la col·laboració de més de 200 científics de 35 institucions diferents. La base de dades sobre el factor g del muó és ingent, superior a tota l’aplegada en experiments anteriors (Brookhaven inclòs). Les dades comunicades aquesta setmana, però, tan sols constitueixen el 6% de totes les dades que es projectes recollir.

La mesura de moment magnètic anòmal muó positiu amb una precisió de 4,6·10^-6

En l’article a Physical Review Letters, B. Abi et al. presenten els resultats a l’anomalia magnètica del muó positiu a_μ. Aquesta anomalia equival a (g_μ)/2, i es determina experimentalment a partir de mesures de precisió de dues freqüències angulars. La diferència ω_a entre la freqüència de precessió d’espín i la freqüència de ciclotró de muons polaritzats en l’anell d’emmagatzematge magnètic és deduïda de la variació d’intensitat entre els positrons d’alta energia que deriven de la desintegració dels muons positius. El camp magnètic de l’anell d’emmagatzematge és mesurat amb sondes de ressonància magnètica nuclear calibrades en termes de la freqüència de precessió d’espín equivalent de protó (ω_p) en una mostra esfèrica d’aigua a una temperatura de 307,9 K. La ratio ω_a/ω_p, juntament amb altres constants fonamentals conegudes, determina un valor d’a_μ de 116592040(54)·10^-11. La precisió d’aquest valor experimental és de 4,6·10^-10.

El resultat preliminar de l’experiment Muon g-2 per a a_μ és 3,3 desviacions estàndards més gran que el valor predit pel model estàndard. Alhora, concorda amb la mesura E821 del Laboratori Nacional de Brookhaven, obtinguda en el 2001

Si hom combina totes les mesures prèvies tant per a antimuons (μ⁺) com per a muons (μ^-), la mitjana experimental de a_μ és de 116592061(41)·10^-11 (precisió de 3,5·10^-10). Com que el valor teòric derivat del model estàndard és de 116591810(43)·10^-11, es fa patent la tensió entre experiment i teoria, que arriba a 4,2 desviacions estàndards.

Mesura i anàlisi del camp magnètic

Factor crític en l’experiment muó g-2 és la uniformitat del camp magnètic aplicat al corrent d’antimuons. En un article a Physical Review Letters A, T. Albahri et al. documenten la mesura del camp magnètic en l’anell d’emmagatzematge de muons. El camp magnètic fou monitoritzat per sistemes i calibrats en termes de la freqüència de precessió de l’espín del protó. La incertesa de ω_p en les dades del primer run experimental seria de 1,14·10^-7, de la qual 5,6·10^-8 es deuria a contribucions de l’extracció, calibratge, mapatge i seguiment, i 9,9·10^-8 a camps transitoris ràpids.

L’obtenció del resultat experimental

En un tercer article, aquesta vegada a Physical Review Letters D, T. Albahri et al. expliquen com l’experiment Muon g-2 ha mesurat la freqüència de precessió anòmala del muó fins a una incertesa estatística de 4,34·10^-7 i una incertesa sistemàtica de 5,6·10^-8. Aquestes dades es recolliren en quatre configuracions de l’anell d’emmagatzematge durant el primer run del 2018. La robustesa de la dada final és examinada a través d’11 determinacions separades de ω_a.

Un test de precisió del model estàndard

Les primeres dades de Muon g-2, doncs, reforcen la tensió ja reportada en el 2001 entre la predicció teòrica del model estàndard i la mesura experimental del moment magnètic del muó. Si la discrepància de l’experiment de Brookhaven era de 2,7 sigmes, la de l’experiment de Fermilab és de 3,3 sigmes. Si agreguem aquests dos experiments i altres realitzats, la discrepància s’eleva a 4,2 sigmes.

Aquesta discrepància podria ser l’efecte de la interacció dels muons amb partícules desconegudes, o una interacció desconeguda amb partícules conegudes. Noves partícules o noves interaccions són sovint argüides per explicar fenòmens com la “matèria fosca” (la part, majoritària, de la matèria gravitatòria de l’univers que no es detectable per interacció electromagnètic). Així doncs, hom ha postulat l’existència de neutrinos estèrils o inerts, que serien neutrinos massius que tan sols interactuarien gravitatòriament (i no a través de les interaccions electromagnètica o nuclear). Una possibilitat explorada teòricament és l’extensió del model estàndard a través de supersimetria.

El moment magnètic d’una partícula és proporcional al seu espín i al seu factor g. El factor g del muó, d’acord amb el model estàndard, seria de 2,00233183620(86), mentre que els resultats experimentals agregats (Brookhaven, Fermilab, etc.) indicarien un factor g de 2,00233184122(82).

En els propers anys hi ha planificats altres experiments que contribuiran a la determinació del factor g del muó, com l’experiment E34 de J-PARC, que mesurarà el moment de dipol elèctric del muó.

Existeixen, a més, altres discrepàncies experimentals, com la ruptura de la universalitat de leptons en desintegracions de bellesa de quarks, en el que la discrepància valorada per l’LHCb seria de 3,1 sigmes.

Lligams:

- Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. B. Abi et al. (Muon g−2 Collaboration). Phys. Rev. Lett. 126 141801 (2021).

- Magnetic-field measurement and analysis for the Muon g−2 Experiment at Fermilab. T. Albahri et al. (The Muon g-2 Collaboration). Phys. Rev. A 103 042208 (2021).

- Measurement of the anomalous precession frequency of the muon in the Fermilab Muon g−2 Experiment. T. Albahri et al. (Muon g-2 Collaboration). Phys. Rev. D 103 072002 (2021).

- Muon’s Escalating Challenge to the Standard Model. Priscilla Cushman. Physics 14 54.

- First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics, comunicat de premsa de Fermilab.

- Pàgina de l’Experiment Muon g-2 a la web de Fermilab.