Os físicos descobriram que uma partícula elementar chamada bóson W parece ser 0,1% muito pesada – uma pequena discrepância que pode prenunciar uma enorme mudança na física fundamental.
A medição, relatada na revista Science, vem de um antigo colisor de partículas no Fermi National Accelerator Laboratory em Batavia, Illinois, que esmagou seus prótons finais há uma década. Os cerca de 400 membros da colaboração do Collider Detector no Fermilab (CDF) continuaram a analisar os bósons W produzidos pelo colisor, chamado Tevatron, perseguindo inúmeras fontes de erro para alcançar um nível incomparável de precisão.
Se o excesso de peso do W em relação à previsão teórica padrão puder ser confirmado independentemente, a descoberta implicaria a existência de partículas ou forças desconhecidas e traria a primeira grande reescrita das leis da física quântica em meio século.
“Isso seria uma mudança completa na forma como vemos o mundo”, potencialmente rivalizando com a descoberta do bóson de Higgs em 2012, disse Sven Heinemeyer, físico do Instituto de Física Teórica de Madri, que não faz parte do CDF. “O Higgs se encaixa bem na imagem anteriormente conhecida. Esta seria uma área completamente nova a ser inserida.”
A descoberta ocorre em um momento em que a comunidade física anseia por falhas no Modelo Padrão da física de partículas, o conjunto de equações de longo reinado que captura todas as partículas e forças conhecidas. O Modelo Padrão é conhecido por ser incompleto, deixando vários grandes mistérios sem solução, como a natureza da matéria escura. O forte histórico da colaboração CDF torna seu novo resultado uma ameaça credível ao Modelo Padrão.
“Eles produziram centenas de belas medições”, disse Aida El-Khadra, física teórica da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign. “Eles são conhecidos por serem cuidadosos.”
Mas ninguém está estourando champanhe ainda. Embora a nova medição de massa W, tomada isoladamente, se afaste totalmente da previsão do Modelo Padrão, outros experimentos pesando o W produziram resultados menos dramáticos (embora menos precisos). Em 2017, por exemplo, o experimento ATLAS no Large Hadron Collider da Europa mediu a massa da partícula W e descobriu que ela era apenas um fio de cabelo mais pesada do que o modelo padrão diz. O confronto entre CDF e ATLAS sugere que um ou ambos os grupos negligenciou alguma peculiaridade sutil de seus experimentos.
“Gostaria que isso fosse confirmado e que entendesse a diferença em relação às medições anteriores”, disse Guillaume Unal, físico do CERN, laboratório que abriga o Grande Colisor de Hádrons e membro do experimento ATLAS. “O bóson W tem que ser o mesmo em ambos os lados do Atlântico.”
“É um trabalho monumental”, disse Frank Wilczek, físico ganhador do Prêmio Nobel do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, “mas é muito difícil saber o que fazer com isso”.
Bósons fracos
Os bósons W, juntamente com os bósons Z, mediam a força fraca, uma das quatro forças fundamentais do universo. Ao contrário da gravidade, do eletromagnetismo e da força forte, a força fraca não empurra ou puxa tanto quanto transforma partículas mais pesadas em mais leves. Um múon decai espontaneamente em um bóson W e um neutrino, por exemplo, e o W então se torna um elétron e outro neutrino. A mudança de forma subatômica relacionada causa radioatividade e ajuda a manter o sol brilhando.
Vários experimentos mediram as massas dos bósons W e Z nos últimos 40 anos. A massa do bóson W provou ser um alvo especialmente atraente. Enquanto outras massas de partículas devem simplesmente ser medidas e aceitas como fatos da natureza, a massa W pode ser prevista combinando um punhado de outras propriedades quânticas mensuráveis nas equações do Modelo Padrão.
Por décadas, experimentalistas do Fermilab e de outros lugares exploraram a teia de conexões em torno do bóson W para tentar detectar partículas adicionais. Uma vez que os pesquisadores obtiveram medições precisas dos termos que mais influenciam a massa da partícula W – números como a força da força eletromagnética e a massa do Z – eles puderam começar a sentir os efeitos menores puxando sua massa.
Essa abordagem permitiu que os físicos predissessem a massa de uma partícula chamada quark top, que altera a massa do W, na década de 1990, pouco antes da descoberta do quark top em 1995. E eles repetiram a façanha nos anos 2000 para antecipar a massa de o bóson de Higgs antes de sua detecção.
Mas enquanto os teóricos tinham várias razões para esperar que o quark top e o Higgs existissem, e estivessem conectados ao bóson W através das equações do Modelo Padrão, hoje a teoria não tem peças obviamente faltando. Qualquer discrepância restante na massa do bóson W apontaria para o desconhecido.
Pegando W
A nova medição de massa do CDF é baseada em uma análise de cerca de 4 milhões de bósons W produzidos no Tevatron entre 2002 e 2011. Quando o Tevatron colidiu prótons com antiprótons, um bóson W muitas vezes apareceu na comoção que se seguiu. O W poderia então decair em um neutrino e um múon ou um elétron, ambos fáceis de detectar. Quanto mais rápido o múon ou elétron, mais pesado o bóson W que o produziu.
Ashutosh Kotwal, físico da Duke University e a força motriz por trás da recente análise da colaboração CDF, dedicou sua carreira a refinar esse esquema. O coração do experimento do bóson W é uma câmara cilíndrica repleta de 30.000 fios de alta voltagem que reagem quando um múon ou elétron passa por eles, permitindo que os pesquisadores do CDF infiram o caminho e a velocidade da partícula. Saber a posição exata de cada fio é crucial para obter uma trajetória precisa. Para a nova análise, Kotwal e seus colegas aproveitaram os múons que caem do céu como raios cósmicos. Essas partículas semelhantes a balas rasgam constantemente o detector em linhas quase perfeitamente retas, permitindo que os pesquisadores detectem quaisquer fios instáveis e fixem as posições dos fios em 1 micrômetro.
Eles também passaram os anos entre os lançamentos de dados fazendo verificações cruzadas exaustivas, repetindo medições de maneiras independentes para criar confiança de que entendiam todas as idiossincrasias da Tevatron. Durante todo o tempo, as medições do bóson W se acumulavam cada vez mais rápido. A última análise do CDF, divulgada em 2012, cobriu dados dos primeiros cinco anos do Tevatron. Nos quatro anos seguintes, os dados quadruplicaram.
“Ele veio até nós como uma mangueira de incêndio, mais rápido do que você poderia beber”, disse Kotwal.
Quase uma década depois dessa última análise, a colaboração finalmente chegou ao ar. Em uma reunião de novembro de 2020 pelo Zoom, Kotwal descriptografou o resultado da equipe (eles trabalharam com dados criptografados para que os números não influenciassem sua análise) com o pressionar de um botão.
O silêncio caiu enquanto os físicos absorviam a resposta. Eles descobriram que o bóson W pesa 80.433 milhões de elétron-volts (MeV), mais ou menos 9 MeV. Isso o torna 76 MeV mais pesado do que o Modelo Padrão prevê, uma discrepância aproximadamente sete vezes maior que a margem de erro da medição ou previsão.
Essa discrepância de “sete sigma” se eleva acima do nível de cinco sigma que os físicos normalmente precisam eliminar para reivindicar uma descoberta definitiva. Mas, neste caso, medições mais baixas do ATLAS e de outros experimentos os fazem parar.
“Eu diria que isso não é uma descoberta, mas uma provocação”, disse Chris Quigg, físico teórico do Fermilab que não esteve envolvido na pesquisa. “Isso agora dá uma razão para chegar a um acordo com esse outlier.”
Choque de Experiências
Com o Tevatron acumulando poeira, o ônus de confirmar ou refutar a medição do CDF recairá sobre o Grande Colisor de Hádrons. Já produziu mais bósons W do que o Tevatron, mas sua maior taxa de colisão complica a análise da massa do W. No entanto, ao coletar dados adicionais – potencialmente em intensidades de feixe mais baixas – o LHC pode resolver a tensão nos próximos anos.
Enquanto isso, os teóricos não podem deixar de refletir sobre o que um bóson W de tamanho grande pode significar.
Quando um múon emite brevemente um bóson W à medida que decai em um elétron, esse bóson W intermediário pode interagir com outras partículas, mesmo as desconhecidas. É essa confraternização com o desconhecido que pode distorcer a massa do W.
Um bóson W pesado pode ser devido a um segundo bóson de Higgs que é mais distante do que o que conhecemos. Ou pode ser devido a um novo bóson massivo que medeia uma variante da força fraca, ou um Higgs “composto” feito de várias partículas, completo com uma nova força para ligá-las.
Alguns teóricos suspeitam de partículas previstas por uma teoria há muito estudada conhecida como supersimetria. Essa estrutura liga partículas de matéria e partículas portadoras de força, postulando um parceiro não descoberto do tipo oposto para cada uma das partículas conhecidas. A supersimetria saiu de moda depois que os “superparceiros” não se materializaram no LHC, mas alguns teóricos ainda acreditam que seja verdade.
Heinemeyer e colaboradores calcularam recentemente que certas partículas supersimétricas poderiam resolver outra discrepância putativa com o Modelo Padrão conhecido como anomalia muon g-2. Ao fazê-lo, as partículas também aumentariam um pouco a massa do bóson W, embora ainda fossem necessários mais recém-chegados para corresponder à medição do CDF. “É fascinante que partículas que nos ajudam com g-2 também possam nos ajudar com a massa do bóson W”, disse ele.
O trabalho meticuloso dos experimentalistas em aprimorar suas medições de precisão torna os pesquisadores mais otimistas de que um avanço há muito esperado está chegando.
“No geral, parece que estamos chegando perto do ponto em que algo vai quebrar”, disse El-Khadra. “Estamos chegando perto de realmente enxergar além do Modelo Padrão.”
Publicado em 10/04/2022 22h44
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