Una nueva medición de la masa de partículas profundiza el misterio cuántico

Nueva medición de la física fundamental profundiza el misterio cuántico

Por Clara Moskowitz editado por Dan Vergano

Los físicos han medido la masa de uno de los componentes básicos del universo, la partícula bosón W. El nuevo cálculo, realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, podría ayudar a resolver un misterio inquietante sobre la masa de esta partícula.

Aproximadamente 80 veces más pesados ​​que los protones, los bosones W se encuentran entre las partículas fundamentales más pesadas de la naturaleza, que no se pueden descomponer en trozos más pequeños. Llevan la fuerza débil, que permite que otras partículas se transformen de un tipo a otro en procesos como la desintegración radiactiva del uranio en plomo y la fusión nuclear del hidrógeno en helio.

Una medición de 2022 de la masa del bosón W realizada por el experimento Collider Detector at Fermilab (CDF) en el colisionador Tevatron del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) fue la más precisa hasta la fecha. Y sugirió que la masa difería significativamente de la predicción del Modelo Estándar, la teoría rectora de la física de partículas. Si era correcto, eso significaba que algo extraño estaba sucediendo con las partículas que gobiernan la radiactividad y con las reglas de la física.

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La medición de 2022 había sido la más precisa hasta la fecha. La nueva medición, sin embargo, casi iguala su precisión, pero concuerda con el modelo estándar. Los líderes del nuevo estudio, que se llevó a cabo en el experimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC, dicen que les asegura que su comprensión básica del bosón W probablemente va por buen camino. “Si bien hubiera sido emocionante confirmar el resultado de la CDF, lo que realmente quería era publicar un resultado que resistiera la prueba del tiempo”, dice el físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts Kenneth Long, coautor del nuevo estudio. “Creo que la mayoría de los físicos de hoy apostarán por el modelo estándar, y creo que nuestra medición es una gran razón para ello”.

Sin embargo, el enigma aún no está completamente resuelto. “Si bien felicito a CMS por su valiente esfuerzo, cualquier conclusión en esta etapa es ciertamente prematura”, dice el físico Ashutosh Kotwal de la Universidad de Duke, coautor del análisis CDF. “Claramente, tanto CDF como CMS no pueden ser correctos”. El equipo de la CDF obtuvo su medición de masa utilizando seis métodos diferentes y estudió varias formas en que el bosón W podría desintegrarse en partículas más pequeñas. “CMS, por otro lado, apenas está comenzando: su primera publicación contiene solo uno de estos seis métodos”, dice Kotwal.

El modelo estándar ha tenido un enorme éxito a la hora de describir el mundo de las partículas fundamentales, pero los científicos saben que no está completo. No incluye, por ejemplo, la misteriosa materia oscura que los físicos creen que es omnipresente en el cosmos ni la energía oscura que parece estar acelerando la expansión del universo. Si los investigadores pueden encontrar una discrepancia entre las predicciones del modelo y la realidad, podría señalar el camino hacia la expansión de la teoría para describir más completamente la naturaleza.

“Creo que todos esperamos que el modelo estándar realmente se rompa algún día”, afirma Long. “Pero esta medición significa que uno de los indicios más atractivos (y sorprendentes) de que el Modelo Estándar no estaba funcionando ahora parece más una anomalía experimental que una insuficiencia teórica. Significa que tenemos que seguir buscando más y tal vez en diferentes lugares para encontrar estas grietas”.

Según la nueva medición del LHC, el bosón W pesa 80.360,2 ± 9,9 megaelectrones voltios (MeV), aproximadamente 160.000 veces la masa del electrón, que tiene alrededor de 0,5 MeV. Esa cifra está totalmente dentro de las predicciones del modelo estándar.

El LHC acelera los protones hasta casi la velocidad de la luz y luego los choca entre sí. La energía de la colisión genera muchas partículas nuevas, incluidos, a veces, bosones W. El experimento no puede medir los bosones W directamente porque desaparecen después de sólo 10 a 24 segundos de existencia. Pero a menudo se descomponen en un par de partículas llamadas neutrino y muón (una versión más pesada de un electrón).

El neutrino es casi tan esquivo como el bosón W, pero el CMS puede estudiar los muones con mucha precisión. Midiendo cuidadosamente la energía y el impulso de los muones producidos en alrededor de 100 millones de colisiones que se cree que crearon los bosones W, los físicos llegaron a su nueva estimación de masa. El hallazgo fue publicado el 8 de abril en la revista Nature.

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