Tras 10 años de análisis, los científicos de la colaboración CDF del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos han anunciado este jueves que han logrado la medición más precisa hasta la fecha de la masa del bosón W, una de las partículas portadoras de fuerza de la naturaleza.
Utilizando los datos recogidos por el Detector del Colisionador del Fermilab (CDF, por sus siglas en inglés), los científicos han determinado ahora la masa de la partícula con una precisión del 0.01%, dos veces más precisa que la mejor medición anterior. Esto equivale a medir el peso de un gorila de más de 350 kilos.
La nueva medición de precisión, publicada en la revista ‘Science’, permite a los científicos poner a prueba el Modelo Estándar de la física de partículas, el marco teórico que describe la naturaleza en su nivel más fundamental. El resultado fue el nuevo valor de la masa muestra una tensión con el valor que los científicos obtienen utilizando las aportaciones experimentales y teóricas en el contexto del Modelo Estándar.
El bosón W, una de las partículas elementales, no es como se pensaba: las mediciones más precisas revelan que es más pesada de lo estimado en el Modelo Estándar de la Física, lo que podría implicar que éste no es realmente válido y hace falta ampliarlo, posiblemente con nuevas partículas e interacciones.
«El número de mejoras y comprobaciones adicionales que se han introducido en nuestro resultado es enorme», afirma Ashutosh V. Kotwal, de la Universidad de Duke, que dirigió este análisis y es uno de los 400 científicos de la colaboración CDF.
«Tuvimos en cuenta nuestra mejor comprensión de nuestro detector de partículas, así como los avances en la comprensión teórica y experimental de las interacciones del bosón W con otras partículas –subraya–. Cuando finalmente desvelamos el resultado, comprobamos que difería de la predicción del Modelo Estándar».
Si se confirma, esta medición sugiere la posible necesidad de mejorar el cálculo del Modelo Estándar o de ampliarlo.
El nuevo valor coincide con muchas mediciones anteriores de la masa del bosón W, pero también hay algunos desacuerdos, por lo que apuntan que serán necesarias futuras mediciones para arrojar más luz sobre el resultado.
«Aunque se trata de un resultado intrigante, la medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda ser interpretada en su totalidad», recuerda el subdirector del Fermilab, Joe Lykken.
El bosón W es una partícula mensajera de la fuerza nuclear débil. Es responsable de los procesos nucleares que hacen brillar el sol y de la descomposición de las partículas. Utilizando las colisiones de partículas de alta energía producidas por el colisionador Tevatron del Fermilab, la colaboración del CDF recopiló enormes cantidades de datos que contienen bosones W desde 1985 hasta 2011.
El físico del CDF, Chris Hays, de la Universidad de Oxford, explica que «la medición del CDF se realizó a lo largo de muchos años, y el valor medido se ocultó a los analizadores hasta que los procedimientos se examinaron a fondo. Cuando descubrimos el valor, fue una sorpresa», reconoce.
El bosón W no se ajusta a la teoría más aceptada para describir la materia a nivel cuántico, según el mayor análisis hasta la fecha
La masa de un bosón W es unas 80 veces la masa de un protón, es decir, aproximadamente 80.000 MeV/c2. Los investigadores de la FCD llevan más de 20 años trabajando para conseguir mediciones cada vez más precisas de la masa del bosón W. El valor central y la incertidumbre de su última medición de la masa es de 80.433 +/- 9 MeV/c2.
Este resultado utiliza todo el conjunto de datos recogidos en el colisionador Tevatron de Fermilab. Se basa en la observación de 4,2 millones de candidatos a bosón W, aproximadamente cuatro veces el número utilizado en el análisis que la colaboración publicó en 2012.
«Muchos experimentos de colisionadores han producido mediciones de la masa del bosón W en los últimos 40 años –recuerda el coportavoz de la FCD, Giorgio Chiarelli, del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN-Pisa)–. Se trata de mediciones difíciles y complicadas, que han alcanzado una precisión cada vez mayor. Nos ha llevado muchos años revisar todos los detalles y las comprobaciones necesarias. Es nuestra medición más robusta hasta la fecha, y la discrepancia entre los valores medidos y los esperados persiste», asegura.
La precisa medición de la masa del bosón W obtenida por la colaboración científica CDF es sorprendentemente alta y se desvía de las predicciones del modelo estándar
La colaboración también comparó su resultado con el mejor valor esperado para la masa del bosón W utilizando el Modelo Estándar, que es de 80.357 * 6 MeV/c2. Este valor se basa en complejos cálculos del Modelo Estándar que vinculan intrincadamente la masa del bosón W con las mediciones de las masas de otras dos partículas: el quark top, descubierto en el colisionador Tevatron del Fermilab en 1995, y el bosón de Higgs, descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en 2012.
Este resultado tendrá que ser validado por futuros experimentos, como por ejemplo en el LHC del CERN
— Alberto Ruiz (IFCA, CSIC-UC)
El coportavoz de la FCD, David Toback, de Texas A&M, resalta que el resultado es una importante contribución para comprobar la exactitud del Modelo Estándar. «Ahora le corresponde a la comunidad de física teórica y a otros experimentos hacer un seguimiento de esto y arrojar luz sobre este misterio», apunta.
«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, hay muchas posibilidades de que sea algo que se pueda descubrir en futuros experimentos», concluye.
