mayo 28, 2022

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Por qué los científicos están preocupados por el bosón W: «Algo no está bien»

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Detector de partículas dentro de la sala de colisión.

Fermilab

Es posible que haya oído hablar de los protones, que son puntos positivos que prueban los átomos. Es probable que te hayas encontrado con electrones, destellos negativos que vagan alrededor de esos protones. Es posible que hayas pensado en los fotones y las cosas que salen de las lámparas de tu habitación.

Pero por ahora, tenemos que preocuparnos por una pequeña partícula extraña que escapa del centro de atención: el bosón W.

Junto con su socio en el crimen, el bosón Z, el bosón W dicta la llamada «fuerza débil». Voy a salvarte de la madriguera del conejo de cómo funciona la fuerza débil porque involucra física que nos dejará boquiabiertos. Créeme. Solo sé que sin fuerza débil, El sol dejará de quemar.

De todos modos, hay drama con el bosón W. de acuerdo a Un artículo publicado el jueves en la revista Science, 10 años de datos inimaginablemente precisos indican que la partícula es incluso más masiva de lo que nuestra física podría esperar. A menos que seas físico, a primera vista esto puede parecer trivial. Pero en realidad es un gran problema para… casi todo.

Más específicamente, plantea una paradoja del modelo estándar de física de partículas, una teoría bien establecida y en evolución que explica cómo se comportan todas las partículas del universo: protones, electrones, fotones e incluso aquellas de las que realmente no escuchamos como gluones. , muones, puedo seguir. El bosón W también está ahí.

«Es una de las piedras angulares del Modelo Estándar», dijo Giorgio Chiarelli, director de investigación del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Italia y coautor del estudio.

Pero esta es la esencia del Modelo Estándar. Es como el reino de las partículas simbióticas. Piense en cada parte del modelo como una cuerda, perfectamente organizada para unir todo. Si uno de los hilos está demasiado apretado, las cosas comienzan a temblar, no importa qué cuerda. Como tal, el Modelo Estándar predice algunos parámetros para cada «cuerda» o partícula, y un factor muy importante es la masa del bosón W.

En pocas palabras, si esta partícula no es igual a esa masa, entonces el resto del modelo no funcionará perfectamente. Y si eso es cierto, tendremos que cambiar el paradigma, tendremos que cambiar nuestra comprensión de cómo Todas las partículas del universo. trabaja.

Bueno, ¿recuerdas el nuevo periódico? Prácticamente estamos entrando en el peor de los casos.

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Una imagen de partículas en el Modelo Estándar.

Fermilab

Una década de cálculos, medidas, contrainterrogatorios, rascarse la cabeza y respiraciones profundas de casi 400 investigadores internacionales concluyó que el bosón W es un poco más pesado de lo que predice el modelo estándar.

«No es una gran diferencia, pero realmente podemos ver claramente que es diferente», dijo David Tobak, físico de partículas de la Universidad Texas A&M y coautor del estudio. «hay algo mal».

Quizás se pregunte si estamos seguros de eso. La comunidad científica tuvo la misma reacción, razón por la cual los investigadores ahora se están enfocando en los láseres para confirmar que esta gran masa del bosón W es de hecho la verdad.

«Podríamos haberlo hecho mal», dijo Tupac. Pero rápidamente agregó: «No lo creemos».

Porque, explica Tupac, el equipo «midió esta pequeña diferencia con una precisión increíble que sobresale como un pulgar dolorido». Sorprendentemente, estas medidas son algo similares a la inferencia del estilo de la escena del crimen.

Mira lo que falta

Para obtener el bosón W en primer lugar, literalmente tienes que unir dos protones.

Esto da como resultado una gran cantidad de otras partículas del Modelo Estándar, y los científicos solo tienen que esperar que una de estas partículas sea la que quieren examinar. (En este caso, este es el bosón W).

Para las nuevas mediciones, los investigadores utilizaron datos de colisión del acelerador de partículas ahora fuera de servicio en Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi en Illinois. Afortunadamente, hice algunos bosones W y, de hecho, conservé suficientes datos de bosones W para obtener aproximadamente cuatro veces la cantidad utilizada en mediciones anteriores. Premio mayor.

Pero hay una complicación. El bosón W está desapareciendo. Se divide rápidamente en dos partículas más pequeñas, por lo que no se puede medir directamente. Uno de ellos es un electrón o un muón, que Podrías Se puede medir directamente, pero podría decirse que el otro es más extraño que el propio bosón W: un neutrino.

Los neutrinos se llaman acertadamente «partículas fantasma» Porque no tocan nada. Están ampliando tus fotos ahora, pero no puedes saberlo porque no tocan los átomos de los que está hecho tu cuerpo. Extraño, lo sé.

Este obstáculo fantasmal significa que los científicos tienen que ser creativos. Entra en el arte de la deducción.

Una vez que los neutrinos desaparecen, dejan una especie de agujero. «El efecto del neutrino carece de energía», dijo Chiarelli. «Esto nos dice a dónde fue el neutrino y cuánta energía se transfirió».

Es algo así como el mismo concepto que los rayos X. «Los rayos X lo atraviesan, pero en el punto donde hay una pieza de metal, se puede ver la forma», dijo Chiarelli. ‘Forma’ es ‘energía faltante’.

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Una vista aérea del colisionador de 1999.

Fermilab

Luego, después de descifrar el neutrino, los científicos usaron un conjunto de ecuaciones complejas para combinarlo con los datos de electrones o muones. Esto conduce a la masa total del bosón W. Esta medición se realizó muchas veces para asegurarse de que todo fuera lo más preciso posible. Además, todos los datos están respaldados por cálculos teóricos que han madurado desde la última vez que se midió el bosón W.

Sin embargo… hay otra complicación.

Como con todos los esfuerzos científicos, no hay una respuesta correcta o incorrecta. solo hay un archivo Responder. Pero como ocurre con todo pensamiento humano, existe la posibilidad de sesgo, y el equipo no quiere ser víctima de un error tan personal. Tupac cita a Sherlock Holmes como explicación de la mentalidad del equipo: «Uno debe encontrar teorías que se ajusten a los hechos, no hechos que se ajusten a las teorías».

«¿Es más estresante?» Nota. «Sí, pero a la naturaleza no le importa mi presión. Lo que queremos es saber la respuesta».

Entonces, el equipo no solo verificó sus datos dos, tres o cuatro veces, sino que lo hizo completamente exento de la respuesta final. Cuando se abrió la caja que contenía el resultado de la masa del bosón W, todos lo miraban por primera vez.

Avance rápido hasta 2020, cuando las tensiones son altas, la caja finalmente se abre y la masa del bosón W contrasta claramente con las predicciones del modelo estándar.

«No fue un momento Eureka», dijo Chiarelli. «Fue un momento bastante realista. Éramos escépticos. La ciencia está organizada en el escepticismo».

Pero con el tiempo, esa duda se desvaneció y aquí estamos.

Todo parece muy sólido. ¿Ahora que?

En cierto sentido, esta información ha estado llegando durante mucho tiempo. “Sabíamos desde el principio que el modelo estándar no podía ser la teoría definitiva”, dijo Chiarelli.

Por ejemplo, el conocido Modelo Estándar no puede explicar la gravedad, materia oscuray muchas otras mezclas aspectos de nuestro universo.

Una idea es que esta nueva información sobre la masa del bosón W podría significar que necesitamos agregar algunas partículas al modelo estándar para explicar el cambio. Esto, a su vez, podría afectar lo que sabemos sobre el famoso bosón de Higgs, o «partícula de Dios», que finalmente se descubrió en 2012 y se reunió Con aplausos increíbles.

«Pero no estamos allí», dijo Tupac. Eso sería solo una suposición».

En lugar de especular, Tupac y Chiarelli están de acuerdo en que debemos simplemente seguir los hechos, incluso si sabemos que los hechos algún día nos llevarán a una nueva teoría fundamental de la física de partículas.

«Es como moverse en la oscuridad», dijo Chiarelli. «Sabes que solo hay un camino correcto, pero no sabes hacia dónde… tal vez nuestra medida pueda darnos la dirección correcta para movernos».

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