Suponiendo un gran problema para los físicos, una partícula fundamental pesa más de lo esperado

El modelo que tenemos para comprender las partículas fundamentales del universo es un poco como una caja de cambios: un pequeño cambio en las propiedades de cualquier partícula individual también altera la mecánica de las otras partículas.

Entonces, cuando sale un artículo que encuentra que la masa de una partícula fundamental está un poco alejada de lo que se aceptaba anteriormente, hace más que simplemente levantar las cejas en el mundo de la física. Si es cierto, tal hallazgo significaría que la física fundamental está “equivocada” de alguna manera aún no determinada, y sacudiría la física de partículas en las próximas décadas.

Nuestra comprensión de las partículas fundamentales, algo conocido como el modelo estándar de la física de partículas, es uno de los logros humanos más imponentes de los últimos 150 años. Miles de físicos e ingenieros trabajaron durante más de un siglo para unir todas las piezas, comenzando con el descubrimiento del electrón en 1897 y culminando con el descubrimiento del bosón de Higgs, largamente teorizado, en 2012.

A principios de este mes, después de 20 años de análisis, los científicos del Collider Detector en Fermilab (CDF) anunciaron que habían realizado la medición más precisa de la masa del bosón W. Después de millones de pruebas y observaciones, su medida de masa resultó ser 1,43385738 × 10-22 gramos (Eso suena ligero, pero es más pesado de lo que debería ser).

La precisión en la medición de una de las partículas portadoras de fuerza de la naturaleza es notable: los científicos dicen que la masa revisada de la partícula tiene una precisión del 0,01 %, el doble de precisa que la mejor medición anterior. Los resultados fueron publicados en la revista Science.

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Pero hay un gran problema: esta medida entra en conflicto con el valor que usan los científicos en las entradas teóricas para el modelo estándar. En otras palabras, si es cierto, la medición de la masa sugiere que el modelo estándar de la física, que es una teoría estándar de oro que explica las cuatro fuerzas conocidas en el universo y todas las partículas fundamentales, está en terreno inestable.

A diferencia de otras partículas fundamentales como los quarks, los electrones y los fotones, el bosón W no es una partícula que normalmente se aprende en la ciencia de la escuela primaria. Sin embargo, al igual que esas partículas, es fundamental para la composición de la materia en el universo. El bosón W es una partícula mensajera en lo que se conoce como la “fuerza nuclear débil”, que forma parte de las cuatro interacciones fundamentales conocidas en la física de partículas; los otros son el electromagnetismo, la interacción fuerte y la gravitación. Mientras que la fuerza electromagnética y la gravedad son cotidianas para las interacciones humanas y la vida cotidiana, y la fuerza fuerte es lo que une los núcleos atómicos, la interacción débil no es tan abiertamente visible. Sin embargo, la fuerza débil está implicada en la descomposición radiactiva de los átomos, y es tan indispensable como las otras fuerzas para la forma en que nuestro universo se ve hoy en día como cualquiera de las otras tres fuerzas. Y la interacción débil no puede ocurrir sin la ayuda de un bosón W.

Para realizar la nueva medición de la masa del bosón W, los investigadores utilizaron datos de colisión del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, un acelerador de partículas ahora fuera de servicio en Illinois. El acelerador de partículas de Fermilab dispara protones y antiprotones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz y observa de cerca la explosión de partículas energéticas que resultan en las secuelas, luego extrapola sus características.

Durante su funcionamiento, el acelerador logró sintetizar cuatro millones de candidatos a bosones W, cuyas propiedades se midieron una y otra vez. A través de extensos cálculos, los científicos llegaron a su medida, que tiene una precisión de siete desviaciones estándar, muy por encima de las cinco desviaciones estándar que producen un hallazgo estadístico estándar de oro.

“Tuvimos 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 cantidad de mejoras y comprobaciones adicionales que se incluyeron en nuestro resultado es enorme”, dijo en un comunicado de prensa Ashutosh V. Kotwal de la Universidad de Duke, quien dirigió el análisis y es uno de los 400 científicos en la colaboración de CDF. “Tuvimos 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 diferencia? Las nuevas mediciones sitúan al bosón W en aproximadamente una décima parte del uno por ciento más masivo de lo que se predijo y aceptó previamente. Eso parece pequeño, pero es suficiente para causar un gran problema para la física de partículas, si es cierto.

Schumm dijo que a la nueva medida de la masa del bosón W le faltaba “una prueba irrefutable”.

“El hecho de que la masa medida del bosón W no coincida con la masa predicha dentro del modelo estándar podría significar tres cosas. O las matemáticas son incorrectas, la medición es incorrecta o falta algo en el modelo estándar”, escribe High. -el físico de partículas de energía John Conway en The Conversation.

En otras palabras, hacer cualquier cambio en el Modelo Estándar no solo afectaría al Modelo Estándar, sino que podría sacudir toda la física y nuestra comprensión del universo.

“Ahora depende de la comunidad de física teórica y otros experimentos hacer un seguimiento de esto y arrojar luz sobre este misterio”, dijo el co-portavoz de la FCD, David Toback, en un comunicado de prensa. “Si la diferencia entre el valor experimental y el esperado se debe a algún tipo de nueva partícula o interacción subatómica, que es una de las posibilidades, es muy probable que sea algo que pueda descubrirse en futuros experimentos”.

El modelo estándar ha demostrado tener un éxito increíble en la predicción de las propiedades de sus partículas constituyentes, e incluso las propiedades de partículas nunca antes vistas. Debido a su notable naturaleza profética, los físicos están ansiosos por intentar perforar agujeros, lo que podría producir nuevos descubrimientos y nueva física. De hecho, como informó Salon en 2021, el experimento Muon g-2 de Fermilab produjo resultados extraños que fueron ligeramente diferentes de lo que proyectó el modelo estándar, aunque esos resultados no superaron del todo el “estándar de oro” de 5 desviaciones estándar que los haría definitivos. .


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Pero cuando se trata de hacer mediciones tan precisas y con un margen de error tan pequeño, algunos físicos dicen que es igualmente probable que el experimento tenga fallas, en lugar del modelo estándar.

“La precisión es el tamaño de la incertidumbre y la exactitud es el tamaño del error potencial”, dijo Schumm. “Puedes tener algo que es muy, muy preciso, pero muy equivocado”.

“Puedes preguntar: ‘¿Podría ser un efecto experimental, un error experimental y la calibración podría ser la fuente de eso? Bueno, es una de un par de posibilidades”, Bruce Schumm, profesor de física en la Universidad de California. Santa Cruz, y autor de un popular libro sobre física de partículas, le dijo a Salón. “Si la diferencia [in mass] es un error, quizás sí, la calibración del detector es una fuente muy probable de ese error, de ese error”.

Schumm dijo que es importante distinguir entre precisión y precisiónteniendo en cuenta que uno podría hacer una medición inexacta con mucha precisión.

“La precisión es el tamaño de la incertidumbre y la exactitud es el tamaño del error potencial”, dijo Schumm. “Puedes tener algo que es muy, muy preciso, pero muy equivocado”.

Schumm dijo que la nueva medición de la masa del bosón W de la CDF “faltaba una prueba irrefutable”, específicamente, una razón claramente identificada por la que otras mediciones de diferentes experimentos no están de acuerdo con el resultado de la CDF para la masa del bosón W.

“Es concebible que a todas las demás medidas les falte algo y la medida CDF lo haya hecho con más cuidado y esté obteniendo la respuesta correcta”, dijo Schumm. “Pero creo que, con toda probabilidad, el resultado de CDF es incorrecto o el conjunto de otros resultados es incorrecto”.

Anteriormente, Schumm le dijo a Salon que es “una dramatización excesiva” decir que el Modelo Estándar alguna vez se reescribiría o desharía por completo.

“El modelo estándar siempre ha sido conocido, desde el día en que se inventó, como lo que se llama una ‘teoría efectiva'”, dijo Schumm. Comparó el modelo estándar con la “punta de un iceberg”, en el que se observa y comprende bien la punta, incluso si no sabemos completamente qué hay debajo del agua. “Apostaría cualquier cantidad de dinero [the Standard Model] nunca será derribado, como una representación de la punta del iceberg”, reflexionó.

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