A medição do W Boson não corresponde ao modelo padrão de física

Imagem principal: O Collider Detector no Fermilab, visto nesta imagem enquanto estava sendo desmontado, registrou colisões de partículas de alta energia de 1985 a 2011. Imagem via Fermilab – CERN.

Esquisito! A medição do W Boson não corresponde ao modelo padrão de física

Há uma década, os físicos se perguntavam se a descoberta do bóson de Higgs no Grande Colisor de Hádrons da Europa apontaria para uma nova fronteira além do Modelo Padrão de partículas subatômicas. Até agora, esse não foi o caso – mas uma nova medição de um tipo diferente de bóson em um colisor de partículas diferente pode resolver o problema.

Esse é o resultado de novas descobertas do Collider Detector do Fermilab, ou CDF, um dos principais experimentos que fez uso do colisor de partículas Tevatron no Fermilab do Departamento de Energia dos EUA em Illinois. Ainda não é hora de jogar fora os livros de física, mas cientistas de todo o mundo estão coçando a cabeça sobre o valor recém-relatado pela equipe do CDF para a massa do bóson W.

Os bósons são partículas portadoras de força que transferem quantidades discretas de energia entre partículas de matéria. Por exemplo, a força eletromagnética é transportada por bósons conhecidos como fótons, enquanto o bóson de Higgs é responsável por transferir a força que confere massa às partículas.

O bóson W desempenha um papel na força nuclear fraca, que entra em jogo no decaimento radioativo, bem como na fusão nuclear – o processo que faz o sol brilhar. A partícula foi descoberta décadas atrás no centro de pesquisa CERN da Europa, que agora abriga o Grande Colisor de Hádrons, e sua massa tem sido objeto de estudo desde então.

Grosso modo, o bóson W cerca de 80 vezes mais pesado que um próton. Mas para os físicos, “grosseiramente falando” não é bom o suficiente. Saber o peso preciso do bóson W é um grande negócio porque esse valor é fatorado nas equações finamente ajustadas que são tecidas no Modelo Padrão, uma das teorias mais bem-sucedidas da ciência. A teoria explica como os átomos são colocados juntos – e suas previsões, incluindo a previsão da existência do bóson de Higgs, foram repetidamente confirmadas.

E, no entanto, há muito que o Modelo Padrão não explica. Algumas das coisas importantes têm a ver com a natureza da matéria escura e da energia escura, que juntas compõem mais de 95% do conteúdo do universo. Se houver alguma medida que vá contra o Modelo Padrão, isso pode apontar para uma abertura para revisão da teoria.

Modelo padrão quebrado no Fermilab?

É aí que entram as descobertas do CDF, publicadas na edição da semana passada da revista Science: os físicos analisaram grandes quantidades de dados coletados no Tevatron entre 1985 e 2011 e chegaram a uma medição de massa com precisão de 0,01%. Isso é duas vezes mais preciso que a melhor medição anterior. O Fermilab diz que é como medir o peso de um gorila de 800 libras em 1,5 onças.

O único problema é que o gorila de 800 libras parece pesar três quartos de libra acima do peso. O valor esperado para a massa do bóson W era de 80.357 mega elétron-volts, ou MeV, mais ou menos 6 MeV. O valor do CDF é 80.433 MeV, mais ou menos 9 MeV.

“Foi uma surpresa”, disse Chris Hays, da Universidade de Oxford, membro da equipe do CDF, em um comunicado à imprensa.

Os pesquisadores do CDF dizem que suas descobertas carregam um nível de confiança de 7 sigma, o que se traduz em uma chance de 1 em 390 bilhões de que elas possam ser explicadas como um acaso estatístico.

Se as descobertas se confirmarem, os físicos teóricos terão que usar seu poder de fogo para descobrir como explicar a discrepância. Pode haver todo tipo de aceno de mão para ligar o bóson muito volumoso a fenômenos estranhos, desde matéria escura e energia escura até supersimetria e novas matrizes de partículas ainda não descobertas.

Mas é muito cedo para isso. Embora a análise estatística pareça impressionante, ainda há uma chance de que algo tenha atrapalhado a medição. Esse foi o caso da alegação em 2011 de que os neutrinos poderiam viajar mais rápido que a luz. Quando essas descobertas foram anunciadas pela primeira vez, os pesquisadores alegaram um nível de confiança quase tão alto quanto o que a equipe do CDF está reivindicando agora. Mas após a revisão, os pesquisadores encontraram falhas em sua configuração experimental, incluindo um cabo de fibra óptica que estava mal conectado. Esses neutrinos na verdade não eram mais rápidos que a luz.

O vice-diretor do Fermilab, Joe Lykken, disse que as descobertas do CDF por si só não são suficientes para forçar um repensar completo do Modelo Padrão. “Embora este seja um resultado intrigante, a medição precisa ser confirmada por outro experimento antes que possa ser totalmente interpretada”, disse ele.

O co-porta-voz do CDF, David Toback, físico da Texas A&M University, disse que as descobertas recém-relatadas representam uma verificação valiosa do Modelo Padrão, sejam ou não confirmadas.

“Agora cabe à comunidade de física teórica e outros experimentos acompanhar isso e esclarecer esse mistério”, disse ele. “Se a diferença entre o valor experimental e o esperado se deve a algum tipo de nova partícula ou interação subatômica, que é uma das possibilidades, há uma boa chance de ser algo que possa ser descoberto em experimentos futuros.”

Confira este tópico no Twitter para especulações informadas do físico da Universidade de Durham, Martin Bauer, sobre o que um bóson W com excesso de peso poderia significar para o Modelo Padrão:

Ótima pergunta! Vamos supor que o efeito seja real e não devido a algum erro sistêmico na análise (ou na previsão SM). O que isso realmente significaria em termos de nova física?

Publicado em 19/04/2022 07h36

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