Una década de ciencia y billones de colisiones muestran que el bosón W es más masivo de lo esperado: el físico explica lo que significa

Tomó 10 años medir la masa de los bosones W, y el resultado no fue lo que esperaban los físicos.

«Puedes hacerlo rápido, puedes hacerlo de forma económica o puedes hacerlo bien. Lo hicimos bien». Estos fueron algunos de los comentarios de apertura de David Tupac cuando el líder del detector colisionador en Fermilab reveló los resultados de un experimento de una década. Mide la masa de una partícula conocida como bosón W.

me Físico de partículas de alta energíay soy parte de un equipo de cientos de científicos que construyeron y operaron el detector Collider en Fermilab en Illinois, conocido como CDF.

Después de billones de colisiones y años de recopilación de datos y procesamiento de números, el equipo de CDF descubrió que el bosón W. Masa ligeramente mayor de lo esperado. Aunque la discrepancia es mínima, los resultados se describen en un artículo de investigación publicado en la revista Ciencia El 7 de abril de 2022, Tú tienes Físico de partículas electrizantes. Si la medida es realmente correcta, esta es otra fuerte indicación de que faltan piezas en el rompecabezas físico de cómo funciona el universo.

Modelo estándar para dibujar partículas elementales

El modelo estándar de física de partículas describe las partículas que componen la masa y las fuerzas del universo. MissMJ / WikimediaCommons El modelo estándar de física de partículas describe las partículas que componen la masa y las fuerzas del universo. Crédito: MissMJ / WikimediaCommons

una partícula que lleva la fuerza débil

El modelo estándar de física de partículas es el mejor marco científico actual para las leyes fundamentales del universo y Describe tres fuerzas fundamentales.: fuerza electromagnética, fuerza débil y fuerza fuerte.

Los núcleos atómicos están unidos por la fuerza fuerte. Sin embargo, algunos núcleos son inestables y sufren decaimiento radiactivo, liberando energía lentamente mediante la emisión de partículas. Este proceso está impulsado por la fuerza débil, y los científicos han estado tratando de averiguar por qué y cómo se descomponen los átomos desde principios del siglo XX.

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De acuerdo con el Modelo Estándar, las fuerzas son transmitidas por partículas. En la década de 1960, una serie de Avances teóricos y experimentales Propuso que la fuerza débil era transmitida por partículas llamadas bosones W y Z. También asumió que la tercera partícula, el bosón de Higgs, era lo que daba masa a todas las demás partículas, incluidos los bosones W y Z.

Desde la aparición del Modelo Estándar en la década de 1960, los científicos han estado trabajando en la lista de partículas esperadas, hasta ahora no descubiertas y midiendo sus propiedades. En 1983, dos experimentos en CERN en Ginebra, Suiza, Capturada la primera evidencia de la existencia de un bosón W. Parece ser más o menos de tamaño mediano. maíz como bromo.

Para el año 2000, faltaba una pieza para completar el modelo estándar y unir todo: el bosón de Higgs. Ayudé a buscar el bosón de Higgs en tres experimentos consecutivos y finalmente Lo descubri en 2012 En el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

El modelo estándar estaba completo y todas las medidas que hicimos encajaban maravillosamente con las predicciones.

El detector colisionador en Fermilab

El detector colisionador del Fermilab recopiló datos de billones de colisiones que produjeron millones de bosones W. Crédito: Bodhita/WikimediaCommons, CC BY-SA

Medida de los bosones W

Es muy interesante romper partículas usando energías muy altas para probar el modelo estándar. Estas colisiones producen partículas más pesadas durante un breve período de tiempo antes de que se descompongan nuevamente en partículas más ligeras. Para analizar las propiedades e interacciones de las partículas resultantes de estas colisiones, los físicos utilizan detectores masivos y altamente sensibles en instalaciones como Fermilab y CERN.

En CDF, se producen bosones W. Una en 10 millones de veces Cuando un protón y un antiprotón chocan. Los antiprotones son la versión antimateria de los protones, que tienen exactamente la misma masa pero carga opuesta. Los protones están hechos de partículas fundamentales más pequeñas llamadas quarks, y los antiprotones están hechos de antiquarks. Es la colisión entre quarks y antiquarks. Crear bosones W. Los bosones W se descomponen demasiado rápido para ser medidos directamente. Entonces, los físicos rastrean la energía de su decaimiento para medir la masa de los bosones W.

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En los 40 años transcurridos desde que los científicos descubrieron por primera vez evidencia del bosón W, los experimentos sucesivos han logrado mediciones más precisas de su masa. Pero solo desde que se midió el bosón de Higgs, ya que da masa a todas las demás partículas, los investigadores han podido examinar la masa medida de los bosones W versus Masa predicha por el modelo estándar. La predicción y los experimentos siempre han sido idénticos, hasta ahora.

Nueva medida para el bosón W

La nueva medida del bosón W (el círculo rojo) está mucho más lejos de la masa predicha por el modelo estándar (la línea púrpura) y también es más grande que la medida inicial del experimento. Crédito: Colaboración de CDF a través de la revista Science, CC POR

Inesperadamente pesado

El detector CDF de Fermilab es excelente para medir con precisión los bosones W. Entre 2001 y 2011, el acelerador chocó contra protones y antiprotones billones de veces, generando millones de bosones W y recopilando la mayor cantidad de datos posible de cada colisión.

En 2012, el equipo de Fermilab informó Resultados preliminares Basado en un subconjunto de datos. Descubrimos que el bloqueo estaba un poco apagado, pero está cerca de predecir. Luego, los investigadores analizaron diligentemente todo el conjunto de datos durante una década. Se realizaron varias comprobaciones internas, así como años de simulaciones informáticas. Nadie puede ver ningún resultado hasta que se complete todo el cálculo para evitar que se introduzcan sesgos en el análisis.

Cuando el físico finalmente vio el resultado el 7 de abril de 2022, todos nos quedamos sorprendidos. Los físicos miden las masas de las partículas elementales en unidades de millones de electronvoltios, abreviado como MeV. Masa del bosón W La salida será de 80,433 megavoltios – 70 MeV más de lo que predice el modelo estándar. Esto puede parecer un ligero exceso, pero la medición tiene una precisión de 9 meV. Esta es una desviación de aproximadamente ocho veces el margen de error. Cuando mis compañeros y yo vimos el resultado, reaccionamos con un rotundo «¡Genial!»

Concepto de comparación de equilibrio

El hecho de que la masa medida del bosón W difiera de la masa esperada en el modelo estándar podría indicar una de tres cosas. O las matemáticas son incorrectas, la medida es incorrecta o falta algo en el formulario estándar.

¿Qué significa esto para el modelo estándar?

El hecho de que la masa medida del bosón W no coincida con la masa esperada en el Modelo Estándar puede significar tres cosas. O las matemáticas son incorrectas, la medida es incorrecta o falta algo en el modelo estándar.

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Primero, las matemáticas. Para calcular la masa del bosón W, los físicos usan la masa del bosón de Higgs. Los experimentos del CERN permitieron a los físicos hacerlo Medida de la masa del bosón de Higgs dentro de un cuarto de un por ciento. Además, los físicos teóricos han sido Trabajando en cálculos de masa de bosones W durante décadas. Si bien las matemáticas son complejas, la predicción es poderosa y es poco probable que cambie.

La siguiente posibilidad es un defecto en el experimento o análisis. Físicos de todo el mundo ya están revisando el resultado para tratar de perforarlo. Además, los experimentos futuros en el CERN pueden eventualmente lograr un resultado más preciso que confirme o rechace el bloqueo de Fermilab. Pero en mi opinión, la experiencia es una medida tan buena como es posible actualmente.

Esto deja la última opción: hay partículas o fuerzas inexplicables que provocan el desplazamiento ascendente de la masa del bosón W. Incluso antes de esta analogía, algunos teóricos habían Nuevas partículas o fuerzas potenciales propuestas Conduciría a una desviación notable. En los próximos meses y años, espero una gran cantidad de nuevos artículos que busquen explicar la desconcertante masa de los bosones W.

Como físico de partículas, estoy seguro de que debe haber más física esperando ser descubierta más allá del modelo estándar. Si este nuevo resultado se mantiene, será el último de una serie de resultados que muestran que el modelo estándar y las mediciones del mundo real a menudo no coinciden del todo. Son estos misterios los que dan a los físicos nuevas pistas y nuevas razones para continuar la búsqueda de una comprensión más completa de la materia, la energía, el espacio y el tiempo.

Escrito por John Conway, profesor de física de la Universidad de California, Davis.

Este artículo fue publicado por primera vez en Conversacion.Conversacion

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