Sobre la masa del Bosón W. sin sensacionalismos

Autor: 

Duvier Suárez Fontanella
|
03 Mayo 2022
| |
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Crédito de fotografía: 

tomada de www.elpais.es

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En los últimos días muchos de los grandes medios de comunicación, especializados o no en divulgación científica, se han hecho eco de una noticia que ha sacudido a la comunidad de físicos. Esta tiene su origen en un artículo publicado por la prestigiosa Science el 7 de abril 2022 bajo el nombre “High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector” y bajo la autoría de la colaboración CDF [1].

Aparentemente la medición más precisa, realizada hasta el momento, de la masa del bosón W difiere en 7 sigmas de las predicciones del modelo estándar. “El bosón W, la partícula que desafía el modelo estándar de la física de partículas.”, o “Un acelerador de partículas atisba un nuevo mecanismo de la naturaleza” son algunos de los titulares que al respecto podemos encontrarnos si realizamos una somera búsqueda en Internet.

La noticia proviene del misterioso y seductor mundo de la física de partículas, tierra fértil para las más diversas teorías especulativas; eso sí, todo los que encuentre cercanos al tema saben que existe en este campo una piedra angular: el modelo estándar.

¿Pero que es todo esto del bosón W, aceleradores de partículas o modelo estándar y demás términos que parecen salidos de alguna película de Spielberg? Al final no todos tenemos un doctorado en física de partículas ni tenemos porque estar al tanto de teorías en la cuales hechos verificados y especulaciones se entrelazan haciendo dudar por momentos hasta a los más ilustrados científicos del campo. Aclaremos entonces algunos términos para tratar de arrojar algo de luz sobre dicho suceso.

¿Qué es el modelo estándar?

El modelo estándar es una teoría física propuesta en la década del 70 que trata de describir la estructura fundamental de la materia, así como su dinámica, dominada por una serie interacciones básicas (fuerza electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte) y de la cual nuestra amiga la gravedad queda excluida, de momento, debido a su naturaleza y muy pesar de los muchos esfuerzos realizados por encontrar una teoría cuántico-gravitatoria.

En dicha teoría, la materia está compuesta por un grupo de partículas llamadas “elementales” y cuyo nombre en este contexto hace referencia a su irreductibilidad a otras partículas. En este punto es válido preguntarse por la veracidad de tal característica, ¿Son estas partículas realmente irreductibles? Lo cierto es que de momento debemos aceptarlas así debido a que los valores de energía accesibles para nuestros experimentos actuales solo nos permiten “mirar” a esas escalas.

Estas partículas elementales, debido a la debilidad a lo Sheldon Cooper que tenemos los físicos teóricos por las clasificaciones, se dividen en varias familias atendiendo a diferentes características en su naturaleza. Así existen partículas que componen propiamente la sustancia: leptones (6 de ellos), donde entra el electrón, y los quarks (6 también), llamados así, según Murray Gellman y por increíble que parezca, por la onomatopeya de las gaviotas que James Joyce inmortalizaría poéticamente en Finnegan’s Wake como Three quarks for Muster Mark.

Por otro lado, están las partículas mediadoras de las interacciones (aquellas que mencioné antes). En este campo, una interacción ocurre cuando dos partículas, por ejemplo, dos fermiones; intercambian un bosón. De esta forma el fotón es el mediador del campo electromagnético (un electrón y un protón se atraen debido a que intercambian fotones); los gluones median la fuerza nuclear fuerte y los bosones W y Z la fuerza nuclear débil, a la cual le debemos fenómenos tan poéticos como del brillo de las estrellas.

Resumiendo, la materia está compuesta por partículas elementales (leptones y quarks) que interactúan entre si intercambiándose otras partículas elementales (fotones, gluones y bosones W y Z).

El modelo estándar, sin embargo, no describe nuestro universo en completitud, debido a la existencia de la materia y energía oscura que forma más del 94 por ciento de este. Esto sugiere que esta no es una teoría completa y desde hace ya algunos años son muchos los intentos de extender o modificar dicha teoría, razón por la cual casi cualquier pequeño evento experimental que pudiera sugerir discrepancias con el modelo estándar, se hace eco inmediatamente en muchos de los medios de prensa. Ejemplo de ello fue las mediciones del momento anómala del muon realizadas por la colaboración Muon g-2 en abril del 2021 en FERMILAB.

A pesar de ellos el modelo estándar ha venido desarrollándose con muy buenos resultados desde su formulación. Muchas y muy precisas han sido sus predicciones a lo largo de su existencia. Parece ser, por solo poner un ejemplo, que han develado la clave de cómo las partículas elementales adquieren su masa (mecanismo de Higgs); así, de la mano de la teoría, en 2012 el acelerador del CERN en Ginebra logró demostrar la existencia del bosón de Higgs, partícula esencial en dicho mecanismo.

Aceleradores de partículas.

Ahora bien, estudiar las partículas subatómicas es realmente un desafío, no solo por los órdenes de energía necesarios para acelerarlas, sino por las condiciones para mantener dichas velocidades y lo efímero de sus tiempos de vida. ¿Cómo se logran “ver” estas partículas entonces? Y donde digo ver he de decir medir.

Todo ocurre en los llamados aceleradores de partículas, los cuales esencialmente son dispositivos que utilizan campos electromagnéticos para aumentar las velocidades de las partículas; los tubos de rayos catódicos de los televisores antiguos son una forma sencilla de aceleradores de partículas. Sin embargo, para lograr las velocidades necesarias para investigar las partículas elementales es preciso que estos dispositivos adquieran tamaños inimaginables y requieran de financiamiento y personal como una ciudad pequeña, cuestión que ejerce cierta presión sobre la eficiencia de sus resultados.

Para tener una idea de los recursos necesarios déjenme darles algunos datos. Para acelerar estas partículas a 99,99 por ciento la velocidad de la luz es necesario hacer vacíos ultra altos para que no ocurran choques con moléculas de gas en los conductos por donde circulan; la presión típica en el interior de los conductos del LHC por ejemplo es de 0,0000….001 (13 ceros) atmósferas, 10 veces menor que la presión en la luna, haciendo de este, probablemente, el lugar de más vacío del sistema solar.

Además de eso, debido a las grandes cantidades de energías que se desprenden en los choques necesarios para detectar partículas subatómicas, alrededor de cien mil veces más calientes que el núcleo del sol (en choques de iones de plomo), es necesario sistemas criogénicos que circulen alrededor de los conductos manteniendo el sistema a temperaturas típicas de 1,9 Kelvin (alrededor de -271 grados Celsius), lo cual es más frío que el espacio exterior. Todos estos constituyen grandes desafíos tecnológicos que demandan además grandes financiamientos.

TEVATRON del FERMILAB (Foto: tomada de Fermilab)

Sin importar esto, la comunidad científica y muchos gobiernos han reunido fondos de modo que existen varios de estos aceleradores. Dos de los más grandes y conocidos son el LHC del CERN y el TEVATRON del FERMILAB, cada uno de ellos con varios detectores en su interior (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) del LHC y (CDF y DZERO) en el TEVATRON, los cuales están orientados a detectar o medir parámetros específicos del modelo estándar. Y justamente entre LHC y TEVATRON es que ha devenido el último gran debate de la física de partículas, la masa del Bosón W.

Una vez más la noticia.

Visto los conceptos necesarios revisemos nuevamente la noticia: el experimento CDFII del TEVATRON ha detectado un valor de masa para el bosón W que difiere en 7 sigmas del valor predicho por el modelo estándar. Es decir, el valor de masa para el bosón mediador de la fuerza débil difiera significativamente del valor esperado por la teoría. Mirándolo fríamente es de suponer simplemente, como en casi todos los casos de experimento vs teoría, que esta última está incorrecta o al menos incompleta y que, por tanto, estamos a las puertas de “una nueva física” y entrecomillo para no seguir el juego a la prensa sensacionalista que disfruta de estos términos como un niño de un caramelo.

Pero la cuestión, como siempre, no es tan sencilla como parece y es que esta no es la primera ni la única medición de la masa del boson W. En la imagen [2] publicada en el propio artículo de Science muestra las últimas medidas en orden cronológico, las más antiguas arriba y hasta llegar a la del CDF II marcada en rojo. Junto a los valores determinados para la masa se muestran también los detectores donde se realizaron dichas mediciones, la franja gris destaca el valor esperado por el modelo estándar (SM por sus siglas en ingles).

La imagen muestra las ultimas mediciones de la masa del bosón W realizadas por los diferentes detectores (excluyendo la última realizada por LHCb). La franja gris destaca el valor esperado por el modelo estándar. La dimensión del segmento rojo es proporcional a la incertidumbre en la medición, es decir, mientras menor sea el segmento, mas precisa es la medición.

Algo curioso es el hecho de que el artículo dejara fuera la medición más reciente realizada por el LHCb y que le antecedería inmediatamente en la tabla mostrada, la cual, también con muy buena precisión, coincide con las predicciones del modelo estándar.

A esto podemos sumarle el hecho de que si el valor determinado fuese correcto las investigaciones de los últimos tiempos deberían haber mostrado algún tipo de indicio, y es que a pesar de que el incremento en la masa es pequeño en comparación con el esperado por la teoría, del orden de 0.1%, la masa del bosón W depende de la constante de acoplamiento electrodébil g como un medio de (gE), donde E es la energía de vacío del campo de Higgs, por lo cual aceptar esta nueva medida sería aceptar un cambio en dicha constante, la cual ha mediado mucho de los cálculos precisos que se han confirmado en otros experimentos.

También podemos añadir el hecho de que la probabilidad de observar la supersimetría en la escala electrodébil sería mucho mayor con este nuevo valor de la masa, lo que de momento aún no ha ocurrido. Estos son algunos de los indicadores de que esta nueva medida probablemente tendrá que esperar a que otras nuevas la validen, quizás provenientes del CERN o del propio FERMILAB.

En resumen, la nueva medida del CDF II no solo discrepa del modelo estándar sino además de las medidas realizadas por ATLAS, LHCb y DZero II; parafraseando a Benedetti diría, cuando el infierno son los demás el paraíso no es uno mismo. Por esa razón, a pesar de que creo que existe una nueva física más allá del modelo estándar, que nuestra curiosidad por entender los misterios del universo está exigiendo y de que sé que lo imposible asecha en las fronteras del conocimiento, dudo fuertemente que esta devenga de las últimas mediciones de la masa del W.

 

 

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