mayo 22, 2022

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La masa del bosón más alto W se refiere a los agujeros en el escudo del modelo estándar

Zoom / Ilustración de un evento candidato para un bosón W que se descompone en un muón y un neutrino a partir de colisiones protón-protón, registrado por el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones en 2018.

Colaboración Atlas/CERN

los Modelo estándar de física de partículas Ha resistido pruebas rigurosas después de pruebas durante muchas décadas, y Descubriendo el bosón de Higgs En 2012 proporcionó la última pieza de observación del rompecabezas. Pero eso no ha impedido que los físicos busquen persistentemente nueva física más allá de lo que predice el modelo. De hecho, sabemos que el modelo debe estar incompleto porque no incorpora la gravedad y no explica la existencia de materia oscura en el universo. Tampoco puede explicar la tasa acelerada de expansión del universo, que muchos físicos atribuyen a la energía oscura.

El último indicio sobre cómo el modelo estándar puede necesitar una revisión proviene de una nueva medición precisa del bosón W realizada por la colaboración Fermilab CDF II. Esta medición arrojó una masa más alta estadísticamente significativa para el bosón W de lo que predijo el modelo estándar, dentro de siete desviaciones estándar, según nuevo papel Publicado en la revista Science. También entra en conflicto con mediciones de precisión anteriores de la masa del bosón W.

“El valor sorprendentemente alto de la masa del bosón W informado por CDF Collaboration desafía directamente un elemento fundamental en el corazón del modelo estándar, en el que se pensaba que tanto las observaciones experimentales como las predicciones teóricas estaban bien establecidas y entendidas”, escribió en el Universidad de California, Santa Bárbara. ) y Martin Mulders (CERN) perspectiva acompañante. «El descubrimiento… ofrece una perspectiva nueva y emocionante sobre la comprensión actual de las estructuras fundamentales de la materia y las fuerzas en el universo».

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Habiendo dicho eso, los físicos han estado aquí antes: desconcertados por los indicios de una nueva y emocionante física solo para ver cómo sus esperanzas se desvanecen a medida que surge más evidencia. Las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, y esta es sin duda una afirmación extraordinaria. «Si esto es cierto, es importante porque el modelo estándar sería incorrecto», dijo a Ars Clifford Cheung, físico del Instituto de Tecnología de California. «Pero el aparente desacuerdo en los juicios exige extrema cautela».

Modelo Estándar para partículas elementales, incluyendo antipartículas.
Zoom / Modelo Estándar para partículas elementales, incluyendo antipartículas.

El modelo estándar describe los componentes básicos del universo y cómo evolucionó la materia. Estos bloques se pueden dividir en dos grupos básicos: fermiones y bosones. Los fermiones constituyen toda la materia del universo, incluidos los leptones y los quarks. Los leptones son partículas que no están involucradas en mantener unido el núcleo atómico, como los electrones y los neutrinos. Su trabajo es ayudar a que la materia cambie a través de la descomposición nuclear en otras partículas y elementos químicos, utilizando la fuerza nuclear débil. Los quarks forman el núcleo atómico.

Los bosones son los enlaces que mantienen unidas otras partículas. Los bosones se mueven de una partícula a otra, y esto conduce a la aparición de fuerzas. Hay cuatro bosones de medición relacionados con la fuerza. El gluón está relacionado con la fuerza nuclear fuerte: «pega» los núcleos de un átomo. El fotón lleva la fuerza electromagnética que hace que aparezca la luz. Los bosones W y Z transportan la fuerza nuclear débil y conducen a diferentes tipos de desintegración nuclear. Luego está el bosón de Higgs, que es una manifestación del campo de Higgs. El campo de Higgs es una entidad invisible que impregna el universo. Las interacciones entre el campo de Higgs y las partículas ayudan a proporcionar masa a las partículas, con partículas que interactúan más fuertemente y tienen masas mayores.

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Medidas experimentales y predicciones teóricas de la masa del bosón W.
Zoom / Medidas experimentales y predicciones teóricas de la masa del bosón W.

Colaboración CDF / Fermilab

El bosón W es un bloque de construcción fundamental del modelo estándar, y mejorar las mediciones de su masa ayuda a los físicos a continuar mejorando y probando el modelo estándar. Pero es una medida difícil. Como editor científico Ars John Timmer Mencionado en 2012:

[The W boson] yo era primer descubrimiento en la década de 1980 en el acelerador SPS del CERN, que ahora forma parte de Cadena del acelerador alimentando el LHC. Desde entonces, varios aceleradores han producido suficientes W para proporcionar una estimación de su masa, colocándolos por encima de los 80 GeV, en el rango de error de unos 100 MeV…

Dado que no podemos detectar directamente los bosones W con los dispositivos, los investigadores tuvieron que agregar la masa y la energía que se libera cuando se descomponen. Esto incluye la energía transportada por cualquier fotón, la masa y el momento de la partícula, y estimaciones de cualquier energía transportada por los neutrinos que se mueven rápidamente, que pasan a través de los detectores sin dejar rastro. Los errores restantes en la estimación de la masa provienen de las incertidumbres en estos diversos procesos.

El equipo de CDF II revisó 10 años de datos registrados, que ascienden a aproximadamente 4 millones de eventos de filtro de bosones W, y obtuvo una masa de 80,433 GeV, ± 0,9,4. Esto contrasta con las mediciones anteriores de la masa del bosón W, incluidas las realizadas por CDF II en 2012 (80.387 GeV, ± 0,02) y el Atlas del CERN. en 2018 (80.370GeV, ±19).

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«Es un resultado tentador, ya que no solo está en gran tensión con el modelo estándar, que en sí mismo no sería tan malo como podría sugerir. [new] La búsqueda de la física probablemente será llevada a cabo por el Gran Colisionador de Hadrones, pero también en un estado de cierta tensión con las mediciones anteriores, dijo a Ars el físico de Caltech Michel Babuchi.