Existeix una partícula que no coneixem?

Els físics de partícules estan d’enhorabona. En canvi, la teoria que han construït al llarg del segle XX, el model estàndard, potser no ho està tant. Fa tot just dues setmanes l’Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN) va anunciar una discrepància entre els resultats de deu anys d’experiments i els càlculs teòrics. Aquesta setmana el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) dels Estats Units n’ha anunciat una altra en el marc de l’experiment conegut com a Muon g-2.

El desacord entre teoria i observacions que han vist els prop de 200 científics de set països que han treballat en l’experiment no és nou. “Ja s’havia observat el 1947, quan un experiment va mostrar que la teoria d’aleshores no era l’adequada i es va haver d’ampliar”, explica Pere Masjuan, professor de la Universitat Autònoma de Barcelona i investigador de l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) que ha treballat en els càlculs del valor teòric que s’ha posat a prova al Fermilab. L’experiment en qüestió consisteix en mesurar com es comporta una partícula anomenada muó (que és molt semblant a l’electró però unes 200 vegades més pesant) en un camp magnètic, gràcies al qual actua com una mena de brúixola diminuta.

Des del 1947, els experiments han anat augmentant la precisió, i també ho han fet els càlculs teòrics, de manera que el comportament del muó s’ha pogut estudiar cada vegada amb més detall. El 2001 es van fer una sèrie de mesures al Brookhaven National Laboratory, també dels Estats Units, i es va tornar a observar una discrepància entre teoria i experiments semblant a la del 1947. Els últims resultats del Fermilab confirmen aquest desacord i, a més, si es combinen amb els de Brookhaven, li confereixen més solidesa.

Per assegurar que aquestes discrepàncies no són meres fluctuacions estadístiques que succeeixen per pur atzar, els físics utilitzen el famós paràmetre conegut com a sigma. En aquest cas, la desavinença entre teoria i experiments mesurada a Brookhaven i al Fermilab és de 4,2 sigmes. Això vol dir que la probabilitat que es tracti d’una fluctuació és d’una entre 40.000. Segons Masjuan, es tracta d’un resultat “molt cridaner”.

Alguna cosa que no figura a la teoria

“És una evidència forta que el muó és sensible a alguna cosa que no figura en la nostra millor teoria”, ha explicat en un comunicat Renee Fatemi, física de la Universitat de Kentucky i responsable de l’àrea de simulacions de l’experiment. Aquesta sensibilitat del muó a alguna cosa desconeguda es mesura a partir de la vuitena xifra decimal, cosa que requereix una precisió estratosfèrica. Més concretament, el valor teòric del paràmetre que utilitzen els científics per estudiar-la és de 2,00233183620, mentre que el valor observat experimentalment és de 2,00233184122. Aquesta diferència, però, encara no arriba a les 5 sigmes que es demanen en el món de la física de partícules per considerar que s’ha fet un descobriment, una cota que implica que la probabilitat que sigui una fluctuació estadística és només d’una entre 3,5 milions.

“De moment s’han analitzat el 6% de les dades que s’espera obtenir al llarg de la durada de tot l’experiment -explica Masjuan-. Amb les properes dades es podria arribar a les 4,7 sigmes”, afegeix amb un deix d’emoció. “El model estàndard ens dona una imatge pixelada de la natura -afirma l’investigador de l’IFAE-. Necessitem més precisió per tenir la foto nítida i explicar els altres fenòmens que el model no explica”. Efectivament, a més d’aquests nous resultats, el model estàndard és incapaç d’explicar, entre altres coses, la naturalesa de la matèria i l’energia fosques.

Un nou fenomen en dos llocs

La gràcia d’aquest nou resultat és que està relacionat amb el que va anunciar el CERN fa quinze dies, en el qual també hi havia muons implicats. “Això és entusiasmant, perquè estem observant un mateix fenomen en més d’un lloc”, diu Masjuan. I, de moment, una de les explicacions més plausibles que tenen els físics per a aquest nou fenomen és l’existència d’una partícula que el model estàndard no prediu, batejada amb el nom de leptoquark. Si aquesta partícula s’ha d’afegir a les 17 que descriuen l’Univers segons la teoria actual, és probable que se sàpiga en els pròxims anys.