Demócrito y Epicuro imaginaron un mundo discontinuo, a saltos, en lo que a su estructura más íntima se refiere. Empezó a hablarse del ‘átomo’. Literalmente, ‘lo indivisible’. Entonces se lo imaginaban como bolitas microscópicas componentes del todo. Pero lo cierto es que un átomo hoy sabemos que no sólo es divisible (energía atómica), sino que está compuesto de otras partículas sometidas a un baile de fuerzas. Y ahí es donde aparece el bosón W.
20 siglos después, en 1985 comenzó un experimento del que ahora se tienen resultados. El acelerador de partículas Tevatron de Estados Unidos (Fermilab) acaba de tropezarse con un bosón W con una masa que nadie esperaba. Poniendo patas arriba cuanto sabíamos de los componentes la física de lo más pequeño. Lo que llamamos el ‘modelo estándar’.
4) Ya se sabía que el Modelo Estándar fallaba (no lo explica todo, hay cosas que le faltan), y esto es la confirmación de ello. Hay que ir más allá del ME.
— Arturo Quirantes (@elprofedefisica) April 8, 2022
El problema es que nadie, NADIE sabe cómo hacerlo.
Hay muchas conjeturas sobre qué falla…
Cuanto nos rodea está hecho de átomos –que no son bolas sólidas, sino entidades bastante vacías–, que se componen de combinaciones diferentes de hasta 17 partículas subatómicas elementales. Las llamamos quarks, leptones y bosones. Esos son los verdaderamente (y etomológicamente) ‘atómicos’, pues no se pueden dividir. No hay nada más pequeño en el universo.
Quarks y leptones son los ingredientes de la receta de la materia. Los bosones son los mensajeros de las fuerzas que los mantienen atados o separados. Algo así como los fogones de ese caldero de materia.
En el acelerador de partículas de Tevatron, rompieron protones (hecho de quarks) y pudieron analizar más de 4 millones de bosones W, que tienen una vida cortísima. A pesar de lo escurridizo de su existencia en estos laboratorios, pudieron medir su masa. Las matemáticas teóricas dicen que debía ‘pesar’ 80.357 MeV (en lo extraordinariamente pequeño, no hay gramos que valgan). Las mediciones, una y otra vez, estaban alrededor de los 80.430 MeV. Puede parecer poco, pero a esas minúsculas escalas es un abismo que se traga el sosiego del modelo estándar. El bosón W es demasiado pesado y se sale de marco de la física conocida.
Un bosón W escurridizo desde 1985
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, que ha resultado ser más alta de lo esperado. El hallazgo es portada esta semana en la revista Science.
Si se confirma, esta medida sugiere la posible necesidad de mejoras en el cálculo del modelo estándar o extensiones del modelo. El nuevo valor está de acuerdo con muchas mediciones anteriores de la masa del bosón W, pero también hay algunos desacuerdos. Se necesitarán mediciones futuras para arrojar más luz sobre el resultado.
Europa tratará de corroborar el resultado. Si es así, habrá que hacer ajustes en el modelo de la física elemental.
“Si bien este es un resultado intrigante, la medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda validarse completamente”, matiza el director adjunto de Fermilab, Joe Lykken.
El bosón W es una partícula mensajera de la fuerza nuclear débil. Es responsable de los procesos nucleares que hacen que el sol brille y las partículas se descompongan. Usando colisiones de partículas de alta energía producidas por el colisionador Tevatron, recopilaron grandes cantidades de datos que contenían bosón W desde 1985 hasta 2011.
Nada que ver con el bosón de Higgs
La masa del bosón W, mediador de la fuerza débil, está “limitada por las simetrías del modelo estándar de la física de partículas”, afirman los autores. Esto es difícil de imaginar a la escala visible, a la que estamos acostumbrados. Pero es relevante. “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”.
No obstante, una posible explicación para la masa extra del bosón W sí pasaría por la existencia de nuevos tipos de bosones de Higgs, con su particular campo de Higgs. Esto no es más que una hipótesis.
“Muchos experimentos con colisionadores han producido mediciones de la masa del bosón W en los últimos 40 años”, dijo el coportavoz de la FCD, Giorgio Chiarelli, del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN-Pisa) en la presentación de los resultados. El bosón de Higgs, a diferencia de el bosón W, es el encargado de explicar de dónde sale la masa de las cosas. No es materia, pero sin él no la habría (o no la entenderíamos, por eso fue un alivio su descubrimiento en 2012).
“Estas son mediciones que nos desafían, son complicadas, y han logrado una precisión cada vez mayor. Nos llevó muchos años revisar todos los detalles y los controles necesarios. Es nuestra medida más sólida hasta la fecha, y persiste la discrepancia entre los valores medidos y los esperados”, añade el científico italiano.
La colaboración también comparó su resultado con el mejor valor esperado para la masa del bosón W utilizando el modelo estándar, que es 80.357 ± 6 MeV/c2 [la ‘c2‘ es la velocidad de la luz al cuadrado, te sonará de la ecuación de Einstein E=m·c2, que viene a decir que energía y masa son, en esencia, lo mismo].
Este valor se basa en cálculos complejos del modelo estándar que vinculan intrincadamente la masa del bosón W con las medidas de las masas de otras dos partículas: el quark top (descubierto también allí en 1995), y el bosón de Higgs, descubierto el CERN de Suiza.
Será en este centro europeo, en su Gran Colisionador de Hadrones (LHC) donde trata de validarse el resultado de la masa del bosón W.
En este descubrimiento han participado tres instituciones españolas. El Instituto de Física de Cantrabria (CSIC), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB).
