La masa de la partícula del bosón W ha sido encontrada por Gran Colisionador de Hadrones ser exactamente lo que el Modelo estándar La física de partículas predice que así será, contradiciendo resultados anteriores del Fermilab que insinuaban una masa diferente y, por lo tanto, el potencial para una nueva física.
Si bien el descubrimiento consolida aún más el Modelo Estándar como nuestra mejor representación del mundo de las partículas, los científicos habían estado esperando que su modelo en realidad estuviera equivocado y que la discrepancia en la masa del bosón W pudiera señalar el camino hacia nuevas teorías que pudieran explicar enigmas como la identidad de materia oscuraque representa el 85% de toda la materia en El universo pero sigue siendo prácticamente invisible para nosotros.
Bosones son partículas fundamentales que transportan la fuerzas de la naturaleza. El fuerza fuerte que une quarks juntos dentro protones y neutrones es transportado por un bosón llamado gluónEl bosón de la fuerza electromagnética es el fotón, y la fuerza débil, responsable de la desintegración radiactiva, tiene tres bosones: W+, W– y el bosón Z.
Medir las masas de estas partículas es complicado, porque tienen una existencia increíblemente fugaz antes de desintegrarse en otras partículas. Por eso, con sus mejores esfuerzos, los físicos primero crean los bosones al hacer colisionar haces de protones que viajan a casi la misma velocidad. velocidad de la luz En el interior de un acelerador de partículas, por ejemplo, en el LHC, los protones chocan con una energía total de 13 billones de electronvoltios (eV). Al chocar, los protones se ven obligados a desintegrarse en otras partículas, algunas de las cuales son bosones (así es como se llama a la Bosón de Higgsque lleva el campo de Higgs que prácticamente le da a todo su masa, fue descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones). Los bosones también se desintegran, y la mejor manera de medir su masa es combinar las masas de todas las partículas que producen los bosones en desintegración.
Relacionado: Cómo el sucesor del Gran Colisionador de Hadrones buscará el universo oscuro
Los bosones se desintegran en partículas llamadas leptones (o antileptones), que son electronesmuones o partículas tau (un leptón se define por un espín semientero, es decir, 1/2 o 3/2). El bosón Z se desintegra en otras dos partículas llamadas muones, que son relativamente fáciles de medir. De hecho, por eso se conoce bien la masa del bosón Z, con un valor de 91.187,6 MeV y un margen de error de ± 2,1 MeV (millones de eV).
Sin embargo, los bosones W+ y W– se desintegran en un leptón (o antileptón) más un neutrinoY ahí es donde radica el problema.
Los neutrinos son partículas muy pequeñas y elusivas que pueden atravesar los detectores como fantasmas. Billones de neutrinos están pasando por tu cuerpo en este momento, pero no te das cuenta. Por eso, para detectarlos se necesita un kilómetro cúbico de hielo rodeado de tubos fotomultiplicadores en el Observatorio de Neutrinos IceCube, en el Polo Sur. El Gran Colisionador de Hadrones también puede detectar neutrinos, pero solo ha adquirido esta capacidad recientemente a través de dos detectores, FASER (el Experimento de Búsqueda Avanzada) y SND (Detector de Neutrinos y Dispersión). El LHC anunció sus primeras detecciones de neutrinos en agosto de 2023.
El Modelo Estándar predice que la masa de los bosones W+ y W– es de 80.357 MeV, ± 6 MeV, basándose en una teoría que combina la fuerza electromagnética con la fuerza débil, llamada «teoría electrodébil». Sin embargo, en 2022, los físicos que volvieron a analizar datos antiguos de 2011 (producidos por el acelerador de partículas Tevatron de Fermilab en Illinois, EE. UU.) determinaron una masa del bosón W de 80.433 MeV, ± 9 MeV. Esto sacó la masa del bosón W del rango del Modelo Estándar. Si era correcto, entonces implicaba nueva física como la «supersimetría» (que postula que cada partícula en el Modelo Estándar tiene una contraparte adicional mucho más masiva) y la Gravedad Cuántica de Bucles (que describe cómo el tejido del universo podría estar hecho de diminutos bucles cuánticos). Como resultado, el mundo de la física se entusiasmó mucho con las posibilidades.
Por desgracia, no pudo ser.
En 2023, el experimento ATLAS del LHC midió la masa del bosón W en 80.360 MeV ± 16 MeV, lo que de hecho está en línea con el Modelo Estándar, pero dados los tentadores hallazgos del Fermilab, existía la preocupación de que ATLAS tuviera algún error sistemático no reconocido que afectara sus mediciones.
Sin embargo, el experimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC ha realizado nuevas mediciones de la masa del bosón W, que también son coherentes con el Modelo Estándar, y arrojan una masa de 80.360,2 ± 9,9 MeV, lo que corresponde a tan solo 1,42 x 10^–25 kilogramos.
«Básicamente, utilizamos una balanza de 14.000 toneladas para medir el peso de una partícula que tiene una masa de 1 x 10^–25 kg, o aproximadamente 80 veces la masa de un protón», dijo el físico Michalis Bachtis de la Universidad de California en Los Ángeles, en un artículo publicado en la revista Science. declaración.
Por supuesto, muchos físicos habían estado esperando que se demostrara que había una discrepancia en la masa del bosón W, ya que esto habría abierto la puerta a la nueva física que sería necesaria para explicar esa discrepancia de masa. Tomando la supersimetría como ejemplo, este concepto podría señalar el camino hacia la explicación de la materia oscura. Un candidato principal para la materia oscura en este momento es un tipo de partícula llamada WIMP, que significa Partícula Masiva de Interacción Débil, y una partícula masiva de interacción débil encajaría perfectamente dentro de los confines de la supersimetría. Lamentablemente, hasta el momento no se ha encontrado ningún compañero supersimétrico de las partículas del Modelo Estándar, y la teoría de la supersimetría está lejos de demostrarse.
«Todos esperaban que pudiéramos medirlo a partir de la teoría, lo que despertaría la esperanza de una nueva física», dijo Bachtis. «Al confirmar que la masa del bosón W es coherente con la teoría, tenemos que buscar nueva física en otro lugar, tal vez estudiando también el bosón de Higgs con alta precisión».
Sin embargo, confirmar la masa del bosón W abre la puerta a otras cosas. Por ejemplo, es posible utilizar esta medición de masa para juzgar mejor la fuerza del campo de Higgs, o para comprender mejor la teoría electrodébil. Estos avances son opciones debido a la forma en que el CMS midió la masa del bosón W: calibrando la energía de los muones emitidos con un margen de error de solo 0,01%, que es órdenes de magnitud más preciso de lo que alguna vez se creyó posible.
«Este nuevo nivel de precisión nos permitirá abordar mediciones críticas, como las que involucran los bosones W, Z y Higgs, con mayor exactitud», dijo la estudiante de doctorado Elisabetta Manca, quien ha estado trabajando en este proyecto con Bachtis durante 8 años.
Así pues, el Modelo Estándar vuelve a ganar, pero con crecientes misterios cosmológicos como la materia oscura, energía oscura e incluso la tensión de Hubble, algo en nuestra comprensión de la física tendrá que romperse en algún momento para iluminar el camino a seguir para el mundo de la física.
Los hallazgos se describen en el sitio web del CERN. Sitio web de CMS.
