domingo, abril 14, 2024
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Una discrepancia inesperada en la masa del bosón W

En física de partículas, los datos perduran mucho más que los detectores que los generan. Hace una década, el Detector de Colisiones del Fermilab (CDF), un instrumento de 4100 toneladas, llegó al final de su vida útil y lo desarmaron para utilizar sus piezas en otros experimentos. Ahora, un nuevo análisis de los antiguos datos del CDF ha desvelado una sorprendente discrepancia en la masa de una partícula elemental, el bosón W, que podría constituir un indicio de partículas e interacciones aún desconocidas.

El bosón W es muy masivo, unas 80 veces más que un protón. Esta partícula es responsable de ciertas formas de desintegración radiactiva, y permite que los neutrones se conviertan en protones. Su masa está limitada por muchas otras partículas y parámetros del modelo estándar (la teoría física que describe las partículas fundamentales y su comportamiento), y a su vez impone restricciones sobre ellos. Es por ello que el bosón W se ha convertido en un objetivo para los investigadores que buscan entender dónde fallan sus mejores teorías y por qué lo hacen.

Aunque los físicos conocen desde hace tiempo la masa aproximada del bosón W, aún no han logrado precisarla del todo. Sin embargo, si introducimos los datos disponibles en el marco del modelo estándar, la teoría predice que esa masa debería ser de 80.357 megaelectronvoltios (MeV) más menos 6 MeV. (Debido a la equivalencia entre masa y energía, la masa de las partículas suele expresarse en electronvoltios. Un MeV es aproximadamente el doble de la masa del electrón.) Pero en un reciente análisis publicado el pasado abril en Science, los físicos de la colaboración CDF han hallado que la masa del bosón W es de 80.433,5 ± 9,4 MeV. La nueva medición, que es más precisa que todas las anteriores juntas, excede en casi 77 MeV la predicción del modelo estándar.

Aunque ambos resultados difieren tan solo en una parte entre 1000, las incertidumbres de cada uno de ellos son tan minúsculas que esta pequeña divergencia reviste una enorme importancia estadística: es muy poco probable que se trate una ilusión producida por el azar. Parece que el bien estudiado bosón W aún guarda muchos secretos sobre el funcionamiento del mundo subatómico, o al menos sobre el modo en que lo investigamos. Los físicos de partículas, a quienes el resultado les ha cogido por sorpresa, aún están empezando a comprender sus implicaciones.

«Nadie esperaba esta discrepancia», afirma Martijn Mulders, físico experimental del CERN que no ha participado en la nueva investigación, pero es coautor de un comentario que la acompaña en Science. «Es muy inesperado. Uno casi se siente traicionado porque, de repente, están serrando una de las patas que sostienen toda la estructura de la física de partículas.»

Búsqueda de quarks

Una medición aproximada de la masa del bosón W fue la que permitió que los físicos predijeran la masa del quark cima con una precisión razonable allá por 1990, cinco años antes de observar por primera vez esa partícula. Después, empleando la masa del bosón W y la del quark cima, los investigadores hicieron una predicción similar para el bosón de Higgs, que se confirmaría de forma espectacular en 2012.

Las pequeñas anomalías son muy habituales, y la inmensa mayoría no son sino fluctuaciones estadísticas que surgen en el enorme número de eventos subatómicos que producen y registran los experimentos típicos de física de partículas. En esos casos, la anomalía desaparece a medida que se van obteniendo volúmenes de datos aún mayores. Pero esta última parece más prometedora, porque ya había muchos datos de gran precisión sobre la masa del bosón W y la predicción teórica presenta una incertidumbre muy baja.

Y quizás lo más importante: la colaboración del CDF ha sido extremadamente cuidadosa. El experimento se realizó con «enmascaramiento» para minimizar el riesgo de que se produjera un sesgo humano, lo que significa que los físicos que analizaban los datos ignoraban los resultados hasta acabar su trabajo. Cuando los miembros del equipo conocieron el valor resultante de la masa del bosón W, en noviembre de 2020, «fue un momento de silencio atónito», rememora Ashutosh Kotwal, uno de los autores del estudio. «Percatarse de lo que significaba ese número recién revelado, por supuesto, no tiene precio.»

Desde entonces, los resultados han superado varias rondas de revisión por pares, pero eso solo garantiza que los físicos han hecho bien su trabajo, no que hayan encontrado nueva física.

High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector, IyC

Ernesto Mota
Ernesto Mota
Nací en el d.f., sigo siendo defeño, hoy radico en la hermosa ciudad de Cuernavaca, Morelos, soy Ing. en Sistemas computacionales, con un posgrado en Tecnologías de información, Doctorando en ambientes virtuales de aprendizaje y realidad aumentada, Tecnólogo es mi categoría laboral, y mi linea de investigación es la realidad aumentada aplicada a nuevos entornos de aprendizaje.
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