El bosón W, la partícula que desafía el modelo estándar de la física de partículas

La última medición de alta precisión del bosón W es muy distinta a lo que los científicos pensaban y se desvía notablemente de las predicciones del modelo estándar. De confirmarse la medición, la teoría que describe la estructura fundamental de la materia estaría equivocada.

CDF detector

CDF detector

Foto: Fermilab

2012 fue el último gran año para la física de partículas. Se trataba del año el que los responsables del CERN anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs, es decir, la partícula que daba masa a todas las demás y que terminaba por completar el hasta entonces inconcluso modelo estándar de la física de partículas. El hallazgo le valió a los físicos Peter Higgs y François Englert, aunque 5 décadas después de haber predicho la partícula, el premio Nobel de Física el año 2013.

Desde entonces puede decirse que en el campo de la física de partículas no ha pasado demasiado. O al menos hasta ahora, pues si el descubrimiento del bosón de Higgs vino a dar sentido a un modelo que físicos de todo el mundo llevaban tratando de encajar desde el año 1970, un nuevo descubrimiento realizado por científicos del Detector de Colisiones de Fermilab -CDF- y el Laboratorio Nacional Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos podría haber llegado para desmontar muchas de las bases que en las que se asienta el modelo estándar.

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Una medición muy precisa

Lo que acaban de anunciar, 10 años después, no es ni más ni menos que la medición más precisa hasta la fecha de la masa de otro de los 6 bosones que forman el modelo estándar: el bosón W. Solo hay un problema, y es que tal y como queda reflejado en el artículo que recoge el hallazgo, publicado a fecha del 7 de abril en la revista Science bajo el título High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector, las mediciones no se corresponden con lo predicho por el modelo. Es como si nos dijeran que un elemento de la tabla periódica no debería estar donde está.

Según la nueva medición la masa del bosón W es significativamente más alta de lo que predicho por la teoría, con una desviación estándar de 7 sigma

Así, los científicos ahora han determinado la masa de la partícula con una precisión del 0,01 %, dos veces mayor que la mejor medición anterior. El resultado es que, sorprendentemente, los investigadores encontraron que la masa del bosón W era significativamente más alta de lo que predicho por la teoría, con una desviación estándar de 7 sigma, lo que significa que la nueva medición se aleja mucho de la media de las mediciones obtenidas con anterioridad para la partícula.

El valor, sorprendentemente alto para la masa del bosón W es un dardo directo al corazón fundamental en el corazón del modelo estándar, el marco teórico que describe la naturaleza en su nivel más fundamental, y en el que tanto en el campo experimental como en las predicciones teóricas los parámetros estaban firmemente establecidos y bien asentados.

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“La medición de CDF se realizó a lo largo de muchos años, cuando descubrimos el valor, fue una sorpresa”, cuenta el físico de CDF, Chris Hays, de la Universidad de Oxford. “Contábamos con que después de tantos años comprendíamos mejor que nunca nuestro acelerador de partículas, y tuvimos en cuenta los últimos 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”, continúa Ashutosh V. Kotwal, el físico de la Universidad de Duke que dirigió la prueba y uno de los 400 científicos del CFD que participaron en el estudio. “Pero, si bien este es un resultado intrigante, la medición debe ser confirmada por nuevos experimentos antes de que pueda darse completamente por válida”, añade el director adjunto de Fermilab, Joe Lykken.

¿Qué es el bosón W y qué cambia esta nueva medición?

Un bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza (el otro tipo son los fermiones). Existen 6 tipos, de los cuales cuatro de ellos, entre los que se encuentra en bosón W, conforman los que se conocen como bosones de Gauge; el quinto sería el anteriormente nombrado bosón de Higgs, y el último de ellos, el llamado gravitón, el cual hasta ahora no ha sido descubierto, por lo que por el momento queda relegado al campo teórico.

Los bosones W median en la interacción débil, que junto con fuerza nuclear fuerte, la gravedad y la fuerza electromagnética es una de las fuerzas fundamentales de la física y la naturaleza. Es responsable de los procesos nucleares que hacen que el sol brille y las partículas se descompongan.

Modelo estándar de la física de partículas

Modelo estándar de la física de partículas

Foto: Fabsanhvasq / Cc

La masa de un bosón W es unas 80 veces la masa de un protón, aproximadamente 80.000 MeV/c2. Durante más de 20 años los investigadores de la FCD han trabajado para lograr mediciones cada vez más precisas de la masa del bosón W. Los resultados de este experimento, el cual se valió de todo el conjunto de datos recopilados del colisionador Tevatron en Fermilab, se basó en la observación de 4,2 millones de candidatos a bosones W. Pero según explica Giorgio Chiarelli, del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN-Pisa) y co-portavoz de la FCD “aunque al equipo le ha tomado muchos años revisar todos los detalles, realizar los controles necesarios y se trata de nuestra medición más robusta hasta la fecha, sigue habiendo discrepancias entre los valores medidos y esperados".

El también co-portavoz de CDF y profesor de física y astronomía en la Universidad de Texas A&M, David Toback, afirma por su parte que el resultado es una contribución importante para probar la precisión del modelo estándar. “Ahora depende de la comunidad de físicos teóricos realizar nuevos experimentos y hacer un seguimiento de los resultados para arrojar luz sobre este nuevo misterio de la física”, continúa, pues de confirmarse esta medida es posible que repensar o mejorar el modelo en el que se fundamenta nuestra compresión de la naturaleza. "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 el futuro descubramos nuevas cosas interesantes”, sentencia.

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