El descubrimiento de la masa real del bosón W pone de cabeza la física de partículas

Mediciones extremadamente precisas dan la impresión de que el bosón W, una partícula elemental, es más pesado de lo esperado. El resultado desafía el modelo estándar, la teoría más importante de la física de partículas.

El bosón W es un 0,1 % más pesado de lo que predice el modelo estándar de la física de partículas. Esto parece una desviación insignificante. Sin embargo, esto podría dar un vuelco a la física de partículas, siempre que una investigación independiente confirme las mediciones. Si la masa es realmente diferente, indica que el modelo estándar está incompleto. Esto podría significar que hay fuerzas o partículas no descubiertas que requieren una reescritura de la teoría actual.

Si es cierto, es fantástico", dice Freya Blekman, física de partículas del DESY en Hamburgo y del CERN en Ginebra y que no ha participado en la nueva medición. Entonces tiene el potencial de ayudarnos a buscar nuevas partículas y fuerzas que no están en el modelo estándar".

Acelerador de partículas retirado

El bosón W, o partícula W, es una de las diecisiete partículas elementales del modelo estándar. Esta partícula es responsable de ciertas formas de desintegración radiactiva, en las que un neutrón del núcleo de un átomo se convierte en un protón.

La impactante medición de la masa de la partícula W procede del acelerador de partículas Tevatron, en el Fermilab, cerca de Chicago. Hasta hace diez años, los núcleos atómicos de hidrógeno (protones) colisionaban con sus antipartículas (antiprotones) casi a la velocidad de la luz. Esto crea otras partículas, incluyendo, en más de cuatro millones de casos, un bosón W.

Los bosones W existen solo por un corto tiempo. Se desintegran en otras partículas elementales en una fracción de segundo. No hay tiempo para ponerlos en la balanza. Sin embargo, los investigadores determinaron su masa midiendo con gran precisión las huellas de las partículas en las que se descompone el bosón W. Lo hicieron con el detector CDF, uno de los dos detectores que registran las colisiones del Tevatrón.

Precisión sin precedentes

El Tevatron lleva retirado desde 2011, pero la enorme cantidad de datos que produjo aún no se había analizado con todo detalle. El nuevo análisis, de una precisión sin precedentes, de diez años de mediciones del FCD mostró que el bosón W tiene una masa de 80.433,5 megaelectronvoltios. Eso es tan pesado como un átomo de criptón. La incertidumbre de esta medición es de aproximadamente 9,4 megaelectronvoltios. Esto hace que la medición sea dos veces más precisa que la medición de masa anterior.

La determinación de la masa es el resultado de diez años de cuidadoso trabajo. El número de mejoras y comprobaciones adicionales que se han introducido en nuestro resultado es enorme", afirma Ashutosh Kotwal, de la Universidad de Duke, que dirigió este análisis del FCD. Blekman: "Para lograr esta precisión, los investigadores tuvieron que entender cada parte de su gigantesco y complicado detector hasta el último tic, calibrarlo, afinarlo y luego seguir cómo cambiaba cada minuto".

Los investigadores también incluyeron en sus cálculos los últimos conocimientos teóricos y experimentales sobre las interacciones del bosón W con otras partículas. Finalmente, revelaron el valor medido de la masa solo después de haber completado todos los pasos y controles. Lo hicieron para asegurarse de que no orientarían (involuntariamente) sus análisis hacia un determinado resultado. Cuando revelamos el valor, fue una sorpresa", dice el físico de la FCD Chris Hays, de la Universidad de Oxford.

Según Blekman, las medidas parecen superficiales pero robustas en la publicación. Todavía tiene curiosidad por conocer todos los detalles de las mediciones del FCD. La publicación contiene relativamente poca información, teniendo en cuenta lo increíblemente complicada que es esta investigación. Pero además, resumir diez años de trabajo en un artículo científico de siete páginas no es fácil.

Modelo estándar revisado

Puede que no se lo espere, pero la mayoría de los físicos están deseosos de realizar mediciones que desafíen el modelo estándar. Es bien sabido que el Modelo Estándar está incompleto. Por ejemplo, no explica la masa de las partículas elementales llamadas neutrinos. Además, el modelo estándar aún no incluye la materia oscura, materia misteriosa de la que los astrónomos creen ver pruebas.

Una pequeña desviación en el modelo estándar, aunque solo sea del 0,1 % en la masa de una partícula, puede levantar una punta del velo tras el que se esconde la nueva física. Esto se debe a que las leyes de la mecánica cuántica dictan que el comportamiento de una sola partícula elemental está influenciado por todo tipo de otras partículas que aparecen de la nada y desaparecen a la velocidad del rayo en las cercanías. El efecto de esto debe incluirse en sus cálculos de masa. Si una partícula aún no descubierta resulta interferir, esto podría explicar la desviación del 0,1 %.

Si la medición de la FCD es correcta, esta desviación de la masa solo puede ser explicada por nuevas partículas", dice Blekman. 'Como, por ejemplo, de la supersimetría o de la materia oscura'.

Todavía se desconoce qué nuevas partículas podrían ser. Pero ahora que los físicos están encontrando cada vez más pequeñas desviaciones, como fue el caso el año pasado en el experimento con muones g-2, parece que un gran avance está en camino. El camino hacia ello pasa ahora por una senda de mediciones cada vez más precisas. Otros experimentos independientes tendrán que demostrarlo antes de dar el siguiente paso. Blekman: "Todavía no he comprado un billete a Estocolmo. Se trata de un resultado que, sin la confirmación de otros experimentos, parece demasiado bueno para ser cierto.