El bosón W es más masivo de lo esperado


“Puedes hacerlo rápidamente, puedes hacerlo de forma económica o puedes hacerlo bien. Lo hicimos bien”. Estos fueron algunos de los comentarios de apertura de David Toback, líder del Collider Detector en Fermilab, cuando anunció los resultados de un experimento de una década para medir la masa de una partícula llamada bosón W.

Soy físico de partículas de alta energía y formo parte del equipo de cientos de científicos que construyeron y operaron el Detector Colisionador en Fermilab en Illinois, conocido como CDF.

Después de billones de colisiones y años de recopilación de datos y procesamiento de números, el equipo de CDF descubrió que el bosón W tiene un poco más de masa de lo esperado. Aunque la discrepancia es pequeña, los resultados, descritos en un artículo publicado en Science el 7 de abril de 2022, han electrificado el mundo de la física de partículas. Si la medición es correcta, es otra señal fuerte de que faltan piezas en el rompecabezas físico de cómo funciona el universo.

Una partícula que lleva la fuerza débil.

El modelo estándar de física de partículas es el mejor marco actual de la ciencia para las leyes básicas del universo y describe tres fuerzas básicas: la fuerza electromagnética, la fuerza débil y la fuerza fuerte.

La fuerza fuerte mantiene unidos los núcleos atómicos. Pero algunos núcleos son inestables y sufren decaimiento radiactivo, liberando energía lentamente mediante la emisión de partículas. Este proceso está impulsado por la fuerza débil y, desde principios del siglo XX, los físicos buscaron una explicación de por qué y cómo se descomponen los átomos.

De acuerdo con el Modelo Estándar, las fuerzas son transmitidas por partículas. En la década de 1960, una serie de avances teóricos y experimentales propusieron que la fuerza débil se transmite mediante partículas llamadas bosones W y Z. También postuló que una tercera partícula, el bosón de Higgs, es lo que da masa a todas las demás partículas, incluidos los bosones W y Z.

Desde la llegada del Modelo Estándar en la década de 1960, los científicos han estado trabajando en la lista de partículas previstas aún por descubrir y midiendo sus propiedades. En 1983, dos experimentos en el CERN en Ginebra, Suiza, capturaron la primera evidencia de la existencia del bosón W. Parecía tener la masa de aproximadamente un átomo de tamaño mediano como el bromo.

El Collider Detector en Fermilab recopiló datos de billones de colisiones que produjeron millones de bosones W. Bodhita/WikimediaCommons

Para la década de 2000, solo faltaba una pieza para completar el modelo estándar y unir todo: el bosón de Higgs. Ayudé a buscar el bosón de Higgs en tres experimentos sucesivos y finalmente lo descubrimos en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

El modelo estándar estaba completo y todas las medidas que hicimos encajaban a la perfección con las predicciones.

Midiendo bosones W

Probar el modelo estándar es divertido: simplemente aplasta partículas a energías muy altas. Estas colisiones producen brevemente partículas más pesadas que luego se descomponen en otras más ligeras. Los físicos usan detectores enormes y muy sensibles en lugares como Fermilab y CERN para medir las propiedades e interacciones de las partículas producidas en estas colisiones.

En CDF, los bosones W se producen aproximadamente una de cada 10 millones de veces cuando chocan un protón y un antiprotón. Los antiprotones son la versión antimateria de los protones, con exactamente la misma masa pero carga opuesta. Los protones están hechos de partículas fundamentales más pequeñas llamadas quarks, y los antiprotones están hechos de antiquarks. Es la colisión entre quarks y antiquarks lo que crea los bosones W. Los bosones W se descomponen tan rápido que son imposibles de medir directamente. Entonces, los físicos rastrean la energía producida por su descomposición para medir la masa de los bosones W.

El modelo estándar de física de partículas describe las partículas que componen la masa y las fuerzas del universo. Señorita MJ/Wikimedia Commons

En los 40 años transcurridos desde que los científicos detectaron por primera vez evidencia del bosón W, los experimentos sucesivos han logrado mediciones cada vez más precisas de su masa. Pero solo a partir de la medición del bosón de Higgs, ya que da masa a todas las demás partículas, los investigadores pudieron comparar la masa medida de los bosones W con la masa predicha por el modelo estándar. La predicción y los experimentos siempre coincidían, hasta ahora.

Inesperadamente pesado

El detector CDF en Fermilab es excelente para medir con precisión los bosones W. De 2001 a 2011, el acelerador hizo colisionar protones con antiprotones billones de veces, produciendo millones de bosones W y registrando la mayor cantidad de datos posible de cada colisión.

El equipo de Fermilab publicó los resultados iniciales utilizando una fracción de los datos en 2012. Descubrimos que la masa estaba ligeramente fuera de lugar, pero cerca de la predicción. Luego, el equipo pasó una década analizando minuciosamente el conjunto de datos completo. El proceso incluyó numerosos controles cruzados internos y requirió años de simulaciones por computadora. Para evitar cualquier sesgo que se infiltre en el análisis, nadie pudo ver ningún resultado hasta que se completó el cálculo completo.

Cuando el mundo de la física finalmente vio el resultado el 7 de abril de 2022, todos nos sorprendimos. Los físicos miden las masas de las partículas elementales en unidades de millones de electronvoltios, abreviado como MeV. La masa del bosón W resultó ser 80 433 MeV, 70 MeV más alta de lo que predice el modelo estándar. Esto puede parecer un pequeño exceso, pero la medición tiene una precisión de 9 MeV. Esta es una desviación de casi ocho veces el margen de error. Cuando mis compañeros y yo vimos el resultado, nuestra reacción fue un rotundo «¡guau!»

Lo que esto significa para el modelo estándar

El hecho de que la masa medida del bosón W no coincida con la masa prevista en el modelo estándar podría significar tres cosas. O las matemáticas son incorrectas, la medida es incorrecta o falta algo en el modelo estándar.

Primero, las matemáticas. Para calcular la masa del bosón W, los físicos usan la masa del bosón de Higgs. Los experimentos del CERN han permitido a los físicos medir la masa del bosón de Higgs con una precisión de un cuarto por ciento. Además, los físicos teóricos han estado trabajando en los cálculos de la masa del bosón W durante décadas. Si bien las matemáticas son sofisticadas, la predicción es sólida y no es probable que cambie.

La siguiente posibilidad es una falla en el experimento o análisis. Físicos de todo el mundo ya están revisando el resultado para tratar de hacerle agujeros. Además, los experimentos futuros en el CERN pueden eventualmente lograr un resultado más preciso que confirme o refute la masa de Fermilab. Pero en mi opinión, el experimento es una medida tan buena como es posible actualmente.

Eso deja la última opción: hay partículas o fuerzas inexplicables que causan el cambio hacia arriba en la masa del bosón W. Incluso antes de esta medición, algunos teóricos habían propuesto nuevas partículas o fuerzas potenciales que darían como resultado la desviación observada. En los próximos meses y años, espero una serie de nuevos artículos que busquen explicar la desconcertante masa de los bosones W.

Como físico de partículas, confío en decir que debe haber más física esperando ser descubierta más allá del modelo estándar. Si este nuevo resultado se mantiene, será el último de una serie de hallazgos que muestran que el modelo estándar y las mediciones del mundo real a menudo no coinciden. Son estos misterios los que dan a los físicos nuevas pistas y nuevas razones para seguir buscando una comprensión más completa de la materia, la energía, el espacio y el tiempo.

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