27 de Mayo de 2022
Física de partículas

Una discrepancia inesperada en la masa del bosón W

Un reciente análisis indica que este bosón es más pesado de lo que se pensaba, lo que tendría importantes repercusiones para la física de partículas.

Instalación del detector de silicio del Detector de Colisiones del Fermilab (CDF), un experimento que se llevó a cabo en el antiguo acelerador de partículas Tevatrón. Uno de los objetivos del CDF era medir la masa del bosón W, un parámetro crucial del modelo estándar de la física de partículas. [Fermilab]

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 (top) 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.

Más recientemente, los físicos que realizan este tipo de mediciones no se han centrado tanto en refinar los aspectos básicos del modelo estándar como en explorar sus carencias: no explica, por ejemplo, la gravedad, la materia oscura, las masas de los neutrinos ni otra serie de fenómenos problemáticos. Los físicos opinan que investigar los puntos en los que el modelo estándar falla o se desvía de las observaciones es una de las mejores formas de buscar «nueva física», el término que emplean para referirse a componentes adicionales y posiblemente más fundamentales del universo.

Hasta el resultado del CDF, algunas de las discrepancias más prometedoras del modelo estándar eran una anomalía estudiada en el experimento Muon g-2 del Fermilab y los resultados del experimento LHCb (cuya «b» hace referencia al quark belleza) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

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.

La obtención de datos

Para medir la masa del bosón W, primero hay que construir un colisionador de partículas. El Tevatrón, que funcionó de 1983 a 2011, era un anillo de 6,3 kilómetros en el que chocaban protones y antiprotones con energías de hasta 2 teraelectronvoltios (TeV), unas 25 veces la masa de un bosón W. El experimento CDF, situado a lo largo del anillo, buscó indicios de bosones W en estas colisiones desde 2002 hasta que dejó de funcionar el Tevatrón.

Pero no se puede observar directamente un bosón W: se descompone en otras partículas demasiado rápido como para registrarlo en cualquier detector. Por ello, los físicos deben inferir su presencia y propiedades mediante el estudio de esos productos de desintegración, sobre todo electrones y muones. El equipo del CDF encontró en los datos del experimento unos cuatro millones de eventos atribuibles a la desintegración del bosón W. Midiendo la energía que depositaron en el detector del CDF los electrones y muones de esos eventos, los físicos trabajaron «hacia atrás» para averiguar la energía (o masa) del bosón W original.

Ese trabajo llevó una década debido a las numerosas incertidumbres de los datos, explica Kotwal. El equipo del CDF logró determinar la masa del bosón W con una precisión sin precedentes —dos veces superior a la de la mejor medición realizada por la colaboración ATLAS— cuadruplicando su conjunto de datos y empleando nuevas técnicas. Por ejemplo, modelizaron las colisiones entre protones y antiprotones, y llevaron a cabo un nuevo examen más exhaustivo de los detalles operacionales del detector clausurado, utilizando incluso antiguos datos de rayos cósmicos para caracterizarlo hasta la micra.

Todo ello bastó para conferir al resultado anómalo de los investigadores una notable significación estadística: casi siete sigmas, en la jerga matemática. Eso significa que, si no hubiera ninguna nueva física que afectase al bosón W, tendríamos que realizar el experimento 800.000 millones de veces para que surgiera por casualidad una discrepancia igual o mayor que la observada. Eso parece exagerado incluso en el mundo de la física de partículas, donde las cifras astronómicas son la norma: el «patrón oro» del campo en cuanto a la significación estadística se sitúa en cinco sigmas, lo que corresponde a un efecto que aparece por casualidad en uno de cada 3,5 millones de experimentos.

Lo más importante es que ese valor de siete sigmas no implica que el resultado del equipo del CDF tenga un 99,999999999 por ciento de probabilidades de deberse a la existencia de nueva física, o que otras mediciones de la masa W sean erróneas. Lo que significa es, más bien, que el resultado que ha obtenido la colaboración del CDF no es fruto de la casualidad. Constituye un llamamiento a seguir investigando, no una conclusión.

Trabajo de detective

Para determinar el origen de la anomalía, es preciso que la confirmen otros experimentos. «Es un resultado espectacular», valora Guillaume Unal, coordinador de física de ATLAS ajeno al nuevo estudio. «Es una medida muy compleja, que supone un gran reto, y también es muy importante para verificar el modelo estándar de manera muy precisa». La colaboración ATLAS está trabajando para mejorar su medición de la masa del bosón W, y Unal asegura que los datos de la segunda tanda de experimentos del LHC, que concluyó en 2018, les permitirán acercarse a la precisión del CDF.

Mientras tanto, los físicos teóricos se apresurarán a estudiar el nuevo resultado para proponer una miríada de posibles explicaciones. Aunque el LHC ha descartado muchas versiones de la supersimetría (un conjunto de teorías que postulan que todas las partículas elementales tienen asociada una «compañera supersimétrica»), el ligero desplazamiento de la masa del bosón W podría deberse a un conjunto de partículas supersimétricas relativamente ligeras.

«Por supuesto, [las restricciones del LHC] son cada vez más estrictas», subraya Manimala Chakraborti, física teórica del Centro Astronómico Nicolás Copérnico de la Academia de Ciencias de Polonia, que no forma parte de la colaboración CDF. «Pero aún se pueden encontrar regiones del espacio de parámetros donde la supersimetría es viable.»

En un momento en el que se están proponiendo nuevos colisionadores y en el que el LHC se prepara para comenzar una nueva tanda de experimentos tras una revisión exhaustiva, puede parecer extraño que se anuncie una anomalía a un nivel de siete sigmas procedente de un experimento ya desaparecido y cuyos detectores han sido reciclados.

Pero la colaboración sigue reuniéndose para evaluar y refinar los frutos del experimento. «Ese trabajo detectivesco es lo que nos mueve», concluye Kotwal. «Todas las pistas están ahí... Es como [en los relatos de] Sherlock Holmes. Puede que la persona se haya ido, pero las huellas permanecen.»

Daniel Garisto

Referencia: «High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector», Colaboración CDF en Science, vol. 376, págs. 170-176, 7 de abril de 2022.

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