Una partícula extrañamente pesada puede haber roto el modelo reinante de la física de partículas
El bosón W es más pesado de lo que nadie esperaba.
Una medición ultraprecisa de la masa de una partícula subatómica llamada bosón W puede divergir del Modelo Estándar, un marco de larga duración que gobierna el extraño mundo de la física cuántica.
Después de 10 años de colaboración utilizando un triturador de átomos en Fermilab en Illinois, los científicos anunciaron esta nueva medición, que es tan precisa que la compararon con encontrar el peso de un gorila de 800 libras (363 kilogramos) con una precisión de 1.5 onzas (42.5 gramos). Su resultado coloca al bosón W, un portador de la fuerza nuclear débil, en una masa siete desviaciones estándar más altas de lo que predice el Modelo Estándar. Ese es un nivel muy alto de certeza, que representa solo una probabilidad increíblemente pequeña de que este resultado ocurriera por pura casualidad.
"Si bien este es un resultado intrigante, la medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda interpretarse por completo", dijo Joe Lykken, subdirector de investigación de Fermilab, en
El nuevo resultado también está en desacuerdo con las mediciones experimentales más antiguas de la masa del bosón W. Queda por ver si esta medición es una casualidad experimental o la primera apertura de una grieta en el Modelo Estándar. Si el resultado resiste el escrutinio y puede ser replicado, podría significar que necesitamos revisar o extender el Modelo Estándar con posiblemente nuevas partículas y fuerzas.
La fuerza de la fuerza nuclear débil
La fuerza nuclear débil es quizás la más extraña de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Se propaga por tres portadores de fuerza, conocidos como bosones. Existe el bosón Z único, que tiene una carga eléctrica neutra, y los bosones W + y W-, que tienen cargas eléctricas positivas y negativas, respectivamente.
Debido a que esos tres bosones tienen masa, viajan más lentamente que la velocidad de la luz y eventualmente se descomponen en otras partículas, dando a la fuerza nuclear débil un rango relativamente limitado. A pesar de esas limitaciones, la fuerza débil es responsable de la desintegración radiactiva, y es la única fuerza (además de la gravedad) que interactúa directamente con los neutrinos, las misteriosas partículas fantasmales que inundan el universo.
Fijar las masas de los portadores de fuerza débiles es una prueba crucial del Modelo Estándar, la teoría de la física que combina la mecánica cuántica, la relatividad especial y las simetrías de la naturaleza para explicar y predecir el comportamiento de las fuerzas electromagnéticas, nucleares fuertes y nucleares débiles. (Sí, la gravedad es el "elefante en la habitación" que el modelo no puede explicar). El Modelo Estándar es la teoría más precisa jamás desarrollada en física, y uno de sus logros culminantes fue la predicción exitosa de la existencia del bosón de Higgs, una partícula cuyo campo mecánico cuántico da lugar a la masa en muchas otras partículas, incluido el bosón W.
De acuerdo con el Modelo Estándar, a altas energías las fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles se combinan en una sola fuerza unificada llamada interacción electrodébil. Pero a bajas energías (o las energías típicas de la vida cotidiana), el bosón de Higgs choca, abriendo una brecha entre las dos fuerzas. A través de ese mismo proceso, el Higgs también da masa a los portadores de fuerza débil.
Si conoce la masa del bosón de Higgs, puede calcular la masa del bosón W, y viceversa. Para que el Modelo Estándar sea una teoría coherente de la física subatómica, debe ser consistente consigo mismo. Si mide el bosón de Higgs y usa esa medición para predecir la masa del bosón W, debería estar de acuerdo con una medición independiente y directa de la masa del bosón W.
Una avalancha de datos
Utilizando el detector de colisionadores en Fermilab (CDF), que se encuentra dentro del acelerador de partículas gigante Tevatron, una colaboración de más de 400 científicos examinó años de datos de más de 4 millones de colisiones independientes de protones con antiprotones para estudiar la masa del bosón W. Durante esas colisiones superenergéticas, el bosón W se desintegra en un muón o un electrón (junto con un neutrino). Las energías de esas partículas emitidas están directamente conectadas a la masa subyacente del bosón W.
"La cantidad de mejoras y comprobaciones adicionales que se realizaron en nuestro resultado es enorme", dijo Ashutosh V. Kotwal, físico de partículas de la Universidad de Duke que dirigió el análisis. "Tomamos en cuenta nuestra mejor comprensión de nuestro detector de partículas, así como los avances en la comprensión teórica y experimental de las interacciones del bosón W con otras partículas. Cuando finalmente revelamos el resultado, descubrimos que difería de la predicción del Modelo Estándar".
La colaboración CDF midió que el valor del bosón W era de 80.433 ± 9 MeV/c2, que es aproximadamente 80 veces más pesado que el protón y aproximadamente un 0,1% más pesado de lo esperado. La incertidumbre en la medición proviene tanto de la incertidumbre estadística (al igual que la incertidumbre que se obtiene al tomar una encuesta en una elección) como de la incertidumbre sistemática (que se produce cuando su aparato experimental no siempre se comporta de la manera en que lo diseñó para actuar). Lograr ese nivel de precisión, de un asombroso 0.01%, es en sí mismo una tarea enorme, como conocer su propio peso hasta menos de un cuarto de onza.
"Muchos experimentos de colisionadores han producido mediciones de la masa del bosón W en los últimos 40 años", dijo en el comunicado el coportavoz de la FCD, Giorgio Chiarelli, director de investigación del Instituto Nacional italiano de Física Nuclear. "Estas son mediciones desafiantes y complicadas, y han logrado cada vez más precisión. Nos llevó muchos años revisar todos los detalles y las verificaciones necesarias".
Utilizando el detector de colisionadores en Fermilab (CDF), que se encuentra dentro del acelerador de partículas gigante Tevatron, una colaboración de más de 400 científicos examinó años de datos de más de 4 millones de colisiones independientes de protones con antiprotones para estudiar la masa del bosón W. Durante esas colisiones superenergéticas, el bosón W se desintegra en un muón o un electrón (junto con un neutrino). Las energías de esas partículas emitidas están directamente conectadas a la masa subyacente del bosón W.
"La cantidad de mejoras y comprobaciones adicionales que se realizaron en nuestro resultado es enorme", dijo Ashutosh V. Kotwal, físico de partículas de la Universidad de Duke que dirigió el análisis. "Tomamos en cuenta nuestra mejor comprensión de nuestro detector de partículas, así como los avances en la comprensión teórica y experimental de las interacciones del bosón W con otras partículas. Cuando finalmente revelamos el resultado, descubrimos que difería de la predicción del Modelo Estándar".
La colaboración CDF midió que el valor del bosón W era de 80.433 ± 9 MeV/c2, que es aproximadamente 80 veces más pesado que el protón y aproximadamente un 0,1% más pesado de lo esperado. La incertidumbre en la medición proviene tanto de la incertidumbre estadística (al igual que la incertidumbre que se obtiene al tomar una encuesta en una elección) como de la incertidumbre sistemática (que se produce cuando su aparato experimental no siempre se comporta de la manera en que lo diseñó para actuar). Lograr ese nivel de precisión, de un asombroso 0.01%, es en sí mismo una tarea enorme, como conocer su propio peso hasta menos de un cuarto de onza.
"Muchos experimentos de colisionadores han producido mediciones de la masa del bosón W en los últimos 40 años", dijo en el comunicado el coportavoz de la FCD, Giorgio Chiarelli, director de investigación del Instituto Nacional italiano de Física Nuclear. "Estas son mediciones desafiantes y complicadas, y han logrado cada vez más precisión. Nos llevó muchos años revisar todos los detalles y las verificaciones necesarias".
Gran resultado, pequeña diferencia
El resultado difirió de la predicción del Modelo Estándar de la masa del bosón W, que es de 80.357 ± 6 MeV/c2. Las incertidumbres en ese cálculo (el "±") provienen de incertidumbres en la medición del bosón de Higgs y otras partículas, que deben insertarse en el cálculo, y del cálculo en sí, que se basa en varias técnicas de aproximación.
Las diferencias entre los resultados no son muy grandes en un sentido absoluto. Sin embargo, debido a la alta precisión, están separados por siete desviaciones estándar, lo que indica la presencia de una discrepancia importante.
El nuevo resultado también está en desacuerdo con las mediciones anteriores de otros experimentos de colisionadores, que han sido en gran medida consistentes con la predicción del Modelo Estándar. Todavía no está claro si este resultado es causado por algún sesgo desconocido dentro del experimento o si es el primer signo de nueva física.
Si el resultado de la FCD se mantiene y otros experimentos pueden verificarlo, podría ser una señal de que hay más en la masa del bosón W que su interacción con el Higgs. Tal vez una partícula o campo previamente desconocido, o tal vez incluso materia oscura, está interactuando con el bosón W de una manera que el Modelo Estándar actualmente no predice.
No obstante, el resultado es un paso importante para probar la precisión del Modelo Estándar, dijo el coportavoz de la FCD David Toback, profesor de física y astronomía en la Universidad de Texas A&M. "Ahora depende de la comunidad de física teórica y otros experimentos hacer un seguimiento de esto y arrojar luz sobre este misterio", dijo.
El resultado difirió de la predicción del Modelo Estándar de la masa del bosón W, que es de 80.357 ± 6 MeV/c2. Las incertidumbres en ese cálculo (el "±") provienen de incertidumbres en la medición del bosón de Higgs y otras partículas, que deben insertarse en el cálculo, y del cálculo en sí, que se basa en varias técnicas de aproximación.
Las diferencias entre los resultados no son muy grandes en un sentido absoluto. Sin embargo, debido a la alta precisión, están separados por siete desviaciones estándar, lo que indica la presencia de una discrepancia importante.
El nuevo resultado también está en desacuerdo con las mediciones anteriores de otros experimentos de colisionadores, que han sido en gran medida consistentes con la predicción del Modelo Estándar. Todavía no está claro si este resultado es causado por algún sesgo desconocido dentro del experimento o si es el primer signo de nueva física.
Si el resultado de la FCD se mantiene y otros experimentos pueden verificarlo, podría ser una señal de que hay más en la masa del bosón W que su interacción con el Higgs. Tal vez una partícula o campo previamente desconocido, o tal vez incluso materia oscura, está interactuando con el bosón W de una manera que el Modelo Estándar actualmente no predice.
No obstante, el resultado es un paso importante para probar la precisión del Modelo Estándar, dijo el coportavoz de la FCD David Toback, profesor de física y astronomía en la Universidad de Texas A&M. "Ahora depende de la comunidad de física teórica y otros experimentos hacer un seguimiento de esto y arrojar luz sobre este misterio", dijo.
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