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La medición más precisa hasta ahora del bosón W arroja un resultado que los físicos no entienden

"Qué extraño". Esta partícula elemental es mucho más grande de lo esperado, lo que entra en conflicto con el modelo estándar

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Imagen para el artículo titulado La medición más precisa hasta ahora del bosón W arroja un resultado que los físicos no entienden
Foto: Fermilab

Una colaboración de cientos de científicos ha medido con precisión la masa del bosón W, una partícula elemental responsable de la fuerza nuclear débil. Los investigadores encontraron, para su sorpresa, que el bosón es más masivo de lo previsto por el Modelo Estándar de física de partículas, la teoría que describe varias de las fuerzas fundamentales del universo.

El nuevo valor se extrajo de 10 años de experimentos y cálculos por parte de 400 investigadores en 54 instituciones diferentes de todo el mundo, un esfuerzo impresionante. Todos los datos se recopilaron a partir de experimentos en el Detector Colisionador de Fermilab (CDF-II para abreviar), de cuatro pisos de altura y 4.500 toneladas en el acelerador Tevatron cerca de Chicago, Illinois. 

La Colaboración CDF encontró que la masa del bosón W es de 80.433 +/- 9 MeV/c^2, una cifra que es aproximadamente el doble de precisa que la medición anterior de su masa. Para tener un sentido de la escala, la nueva medición sitúa al bosón W en unas 80 veces la masa de un protón. Los resultados del equipo se publican hoy en Science.

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“La verdad es que lo que sucedió aquí es lo que suele pasar la mayoría de las veces en la ciencia. Echamos un vistazo al número y dijimos: ‘Eh, qué extraño’”, dijo David Toback, físico de la Universidad Texas A&M y portavoz de la Colaboración CDF, en una videollamada. “Se podía ver a la gente callada. No sabíamos qué sacar de eso”.

“Nos sorprendió muy gratamente [el resultado]”, escribió Ashutosh Kotwal, físico de la Universidad de Duke y miembro de la colaboración CDF, en un correo electrónico . “Estábamos tan centrados en la precisión y solidez de nuestro análisis que el valor en sí fue como un maravilloso susto”.

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El bosón W está asociado con la fuerza nuclear débil, una interacción fundamental que es responsable de un tipo de decaimiento radiactivo y de la fusión nuclear que ocurre en las estrellas.  No te preocupes, el hecho de que el bosón tenga una masa muy diferente a la esperada no significa que hayamos malinterpretado por completo cosas como la fusión nuclear, pero sí significa que hay muchas cosas que aún no entendemos sobre las partículas que componen nuestro universo y cómo interactúan entre ellas.

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“El modelo estándar es lo mejor que tenemos para la física de partículas. Es increíblemente bueno. El problema es que sabemos que estamos equivocados”, dijo Toback. “Desde la perspectiva de los científicos, los experimentadores están tratando de decir: ‘Caramba, podemos encontrar algo que el modelo estándar no predice correctamente, lo que podría darnos una pista de qué es más cierto”.

El modelo estándar predice un valor para la masa del bosón W, un valor que el equipo intentó desafiar evaluando 4 millones de candidatos a bosones W generados por colisiones entre protones y antiprotones en Fermilab. Su resultado es más alto que la predicción del Modelo Estándar por la friolera de siete desviaciones estándar. Kotwal, quien publicó cinco mediciones cada vez más precisas de la masa de la partícula en los últimos 28 años, dijo que “ las probabilidades de que el aumento de 7 desviaciones estándar sea una casualidad estadística son menos de 1 en mil millones”.

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Toback comparó la medida con medir el peso de un gorila de 300 kg con un margen de error de 30 gramos. Como es el caso de muchos experimentos científicos, especialmente en física de partículas, donde las masas son tan pequeñas, los investigadores cegaron sus resultados para asegurarse de que los cálculos no se vieran afectados por las expectativas o esperanzas del equipo de investigación.

Pero ahora, con una medida extraordinariamente precisa tan diferente de las estimaciones más bajas anteriores, los físicos tienen la tarea poco envidiable de averiguar qué es lo que no tiene en cuenta el modelo estándar. Ciertamente, no es la primera vez que la física subatómica ha demostrado ser diferente en la realidad de las mejores conjeturas de la humanidad. En abril del año pasado, la Colaboración Muon g-2 encontró más evidencias de que las propiedades del muón (otra partícula subatómica) no coinciden con las predicciones del Modelo Estándar. Y dos de los hechos más importantes de nuestro universo, la gravedad y la materia oscura, no están explicados por el modelo.

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Foto: CORBIS/Corbis (Getty Images)

“Para descubrir cuál podría ser la teoría más fundamental, es importante encontrar fenómenos que no puedan ser explicados por el [modelo estándar]”, escribió en un correo electrónico Claudio Campagnari, físico de la Universidad de California - Santa Bárbara que no está afiliado a el reciente estudio . “En otras palabras, fenómenos en los que la aproximación [del modelo estándar] se rompe”. Campagmari fue coautor de un artículo de Perspectives sobre la nueva medición.

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Hay experimentos establecidos para hacer precisamente eso; probarán las implicaciones del hallazgo de hoy con diferentes experimentos de colisión. Los resultados de ATLAS y del Compact Muon Solenoid (CMS), dos detectores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN (los dos detectores responsables del descubrimiento del bosón de Higgs hace 10 años), aún están por llegar. Y el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad, una renovación que aumentará la cantidad de colisiones posibles en un factor de 10, también aumentará las posibilidades de ver nuevas partículas cuando se complete en 2027.

Las colisiones del CDF fueron entre protones y antiprotones, mientras que el Gran Colisionador de Hadrones produce colisiones protón-protón. Kotwal dijo que si los humanos alguna vez construyeran un colisionador de electrones y positrones, permitiría mediciones precisas y búsquedas de procesos raros que el Gran Colisionador de Hadrones no puede producir.

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Como dijo Martijn Mulders, un físico del CERN que coescribió el artículo de Perspectives, en un correo electrónico, los físicos adoptarán un enfoque doble para probar el modelo: medir partículas conocidas (como el bosón W) con mayor precisión, así como descubrir partículas completamente nuevas.

El acelerador Tevatron se cerró en 2011, justo después de que la colaboración terminara su etapa experimental. Así que el resultado de hoy es algo así como una vida después de la muerte para este instrumento histórico, una victoria para el equipo y la física de partículas en su conjunto.