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La colaboración científica internacional Collider Detector at Fermilab ha medido con precisión la masa del bosón W —una de las partículas elementales— y su valor es sorprendentemente alto, tanto, que se desvía de las predicciones del modelo estándar. El extraordinario resultado tendrá que ser validado por futuros experimentos, como los que se realizan en el gran colisionador LHC.
El Collider Detector at Fermilab (CDF) fue un detector que registró las colisiones de protones y antiprotones producidas desde 1985 hasta 2011 en el acelerador Tevatrón del laboratorio Fermilab, a las afuera de Chicago (EE UU).
Unos 400 científicos de 54 instituciones de 23 países, entre ellos España, forman la colaboración CDF que siguen analizando la gran cantidad de datos que recogió aquel experimento. De esta forma han obtenido la medición más precisa obtenida hasta ahora de la masa del bosón W, y ha resultado ser más alta de lo esperado. El hallazgo es portada esta semana en la revista Science.
El bosón W protagoniza la portada de la revista ‘Science’ esta semana
El nuevo valor de la masa del bosón W, aproximadamente dos veces más preciso que la mejor medición anterior, indica que la partícula es mucho más pesada (7 desviaciones estándar, en el lenguaje de los físicos) de lo que predice el modelo estándar de la física de partículas, el marco teórico que describe la naturaleza en su nivel más fundamental.
“La masa del bosón W, mediador de la fuerza débil —una de las cuatro fuerzas fundamentales entre las partículas—, está fuertemente limitada por las simetrías del modelo estándar de la física de partículas”, señalan los autores, “el bosón de Higgs era el último componente que faltaba en el modelo, y tras su observación, la medición de la masa del bosón W proporciona una prueba rigurosa del modelo”.
Sin embargo, añaden: “Hemos medio la masa del bosón W, y con una muestra de aproximadamente 4 millones de candidatos, se ha obtenido un valor de 80.433,5 +/- 9,4 MeV/c2 (donde MeV son megaelectronvoltios y c la velocidad de la luz en el vacío), con una precisión que supera la de todas las mediciones anteriores combinadas. Y esta medición está en tensión significativa con la expectativa del modelo estándar”.
Si se confirman, los hallazgos de la colaboración CDF podrían poner en evidencia las áreas en las que el modelo estándar debe ser mejorado o ampliado, o incluso proporcionar un primer vistazo a la física que pudiera haber más allá.
La existencia del bosón W se predijo en los años 60 del siglo pasado y se confirmó por primera vez a principios de los 80. Como es responsable de la fuerza nuclear débil, una de las interacciones fundamentales de la física, su masa entra dentro del marco teórico del modelo, que está limitado por otros parámetros observables, como la carga del electrón y las masas de otras partículas. Por tanto, una medición precisa de la masa de este bosón puede proporcionar una evaluación rigurosa de la consistencia de las predicciones del propio modelo.
El bosón W es la partícula mensajera de la fuerza nuclear débil. Es responsable de los procesos nucleares que hacen brillar el sol y de la desintegración de partículas. Su masa es unas 80 veces la de un protón, es decir, aproximadamente 80.000 MeV/c2. La colaboración científica CDF han logrado la medición más precisa, pero su valor entrá en tensión con el que indica el modelo estándar de la física de partículas. En el segundo gráfico, las barras horizontales indican la incertidumbre de las mediciones realizadas por varios experimentos. / Fermilab/ Colaboración CDF
“Esta nueva medida está realizada con mayor estadística y mejor sistemática, por lo que se tiene mejor precisión”, explica a SINC uno de los autores del estudio, Alberto Ruiz, investigador del Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria).
“El resultado se desvía del modelo estándar —confirma—, pero es una medida experimental y son los datos los que dan ese resultado. Tendrá que ser validada por futuros experimentos, por ejemplo, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)” del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN, en la frontera franco-suiza).
Además del IFCA, en la colaboración CDF que ha registrado la última medida de la masa del bosón W participan otras dos instituciones españolas: el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y la Universidad Autónoma de Barcelona.
En un artículo paralelo que también se publica en Science, los físicos Claudio Campagnari, de la Universidad de California, y Martijn Mulders, del CERN, señalan: “Este valor sorprendentemente alto de la masa del bosón W desafía directamente un elemento fundamental en el corazón del modelo estándar, donde tanto los valores observables experimentales como las predicciones teóricas se creían firmemente establecidos y bien comprendidos”.
Sin embargo, “dado que las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, la afirmación de la colaboración CDF requerirá experimentos adicionales para proporcionar una confirmación independiente”, reiteran.
Referencia:
CDF Collaboration. “High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector”. Science, 2022
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