O bóson W é mais pesado do que se esperava.

O detector CDF, que faz parte do acelerador de partículas Tevatron no Fermilab, em Illinois, surpreendeu os físicos com novas medições "pesadas" da massa do bóson W. Crédito da imagem: Science History Images/Alamy

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Uma medição ultra precisa da massa de uma partícula subatômica chamada bóson W pode divergir do Modelo Padrão, uma estrutura de longa duração que governa o estranho mundo da física quântica. 

Após 10 anos de colaboração usando um esmagador de átomos no Fermilab em Illinois, os cientistas anunciaram esta nova medida, que é tão preciso que eles compararam a encontrar o peso de um gorila de 363 kg (800 libras) com uma precisão de 1,5 onças (42,5 gramas). Seu resultado coloca o bóson W, um portador da força nuclear fraca, com uma massa de sete desvios padrão maior do que o Modelo Padrão prevê. Esse é um nível muito alto de certeza, representando apenas uma probabilidade incrivelmente pequena de que esse resultado tenha ocorrido por puro acaso.

"Embora este seja um resultado intrigante, a medição precisa ser confirmada por outro experimento antes que possa ser totalmente interpretada", disse Joe Lykken, vice-diretor de pesquisa do Fermilab, em um comunicado.

O novo resultado também discorda de medições experimentais mais antigas da massa do bóson W. Resta saber se esta medição é um acaso experimental ou a primeira abertura de uma rachadura no Modelo Padrão. Se o resultado resistir ao exame minucioso e puder ser replicado, isso pode significar que precisamos revisar ou estender o Modelo Padrão com possivelmente novas partículas e forças.

A força da força nuclear fraca

Quando um próton e um antipróton foram esmagados perto da velocidade da luz dentro do Tevatron no Fermilab, os bósons W às vezes surgiram. Crédito da imagem: Shutterstock

A força nuclear fraca é talvez a mais estranha das quatro forças fundamentais da natureza. É propagado por três portadores de força, conhecidos como bósons. Há o único bóson Z, que possui carga elétrica neutra, e os bósons W+ e W-, que possuem cargas elétricas positivas e negativas, respectivamente.

Como esses três bósons têm massa, eles viajam mais lentamente do que a velocidade da luz e, eventualmente, decaem em outras partículas, dando à força nuclear fraca um alcance relativamente limitado. Apesar dessas limitações, a força fraca é responsável pelo decaimento radioativo, e é a única força (além da gravidade) a interagir diretamente com os neutrinos, as misteriosas partículas fantasmagóricas que inundam o universo.

Determinar as massas dos portadores de força fraca é um teste crucial do Modelo Padrão, a teoria da física que combina mecânica quântica, relatividade especial e simetrias da natureza para explicar e prever o comportamento das forças eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca. (Sim, a gravidade é o "elefante na sala" que o modelo não pode explicar). O Modelo Padrão é a teoria mais precisa já desenvolvida em física, e uma de suas realizações culminantes foi a previsão bem-sucedida da existência do bóson de Higgs, uma partícula cujo campo mecânico quântico dá origem à massa em muitas outras partículas, incluindo o bóson W. 

De acordo com o Modelo Padrão, em altas energias, as forças eletromagnéticas e nucleares fracas se combinam em uma única força unificada chamada interação eletrofraca. Mas em baixas energias (ou as energias típicas da vida cotidiana), o bóson de Higgs acaba criando uma cunha entre as duas forças. Através desse mesmo processo, o Higgs também dá massa aos portadores de força fracas.

Se você conhece a massa do bóson de Higgs, pode calcular a massa do bóson W e vice-versa. Para que o Modelo Padrão seja uma teoria coerente da física subatômica, ela deve ser consistente consigo mesmo. Se você medir o bóson de Higgs e usar essa medida para prever a massa do bóson W, ela deve concordar com uma medição independente e direta da massa do bóson W.

Uma enxurrada de dados

Usando o Collider Detector do Fermilab (CDF), que está dentro do acelerador de partículas gigante Tevatron, uma colaboração de mais de 400 cientistas examinou anos de dados de mais de 4 milhões de colisões independentes de prótons com antiprótons para estudar a massa do bóson W. Durante essas colisões superenergéticas, o bóson W decai em um múon ou um elétron (junto com um neutrino). As energias dessas partículas emitidas estão diretamente conectadas à massa subjacente do bóson W. 

"O número de melhorias e verificações extras que entraram em nosso resultado é enorme", disse Ashutosh V. Kotwal, físico de partículas da Duke University que liderou a análise. "Levamos em consideração nossa melhor compreensão do nosso detector de partículas, bem como avanços na compreensão teórica e experimental das interações do bóson W com outras partículas. Quando finalmente revelamos o resultado, descobrimos que ele diferia da previsão do Modelo Padrão".

A colaboração do CDF mediu o valor do bóson W em 80.433 ± 9 MeV/c2, que é cerca de 80 vezes mais pesado que o próton e cerca de 0,1% mais pesado que o esperado. A incerteza na medição vem tanto da incerteza estatística (assim como a incerteza que você obtém ao fazer uma pesquisa em uma eleição) quanto da incerteza sistemática (que é produzida quando seu aparato experimental nem sempre se comporta da maneira que você o projetou para agir). Alcançar esse nível de precisão, de surpreendentes 0,01%, é em si uma tarefa enorme, como saber seu próprio peso para menos de um quarto de onça.

"Muitos experimentos de colisores produziram medições da massa do bóson W nos últimos 40 anos", disse o co-porta-voz do CDF Giorgio Chiarelli, diretor de pesquisa do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear, em comunicado. "Estas são medições desafiadoras, complicadas e têm alcançado cada vez mais precisão. Levamos muitos anos para passar por todos os detalhes e as verificações necessárias". 

Grande resultado, pequena diferença

O resultado difere da previsão do Modelo Padrão da massa do bóson W, que é 80.357 ± 6 MeV/c2. As incertezas nesse cálculo (o "±") vêm de incertezas na medição do bóson de Higgs e outras partículas, que devem ser inseridas no cálculo, e do próprio cálculo, que se baseia em várias técnicas de aproximação. 

As diferenças entre os resultados não são muito grandes em um sentido absoluto. Por causa da alta precisão, no entanto, eles são separados por sete desvios padrão, indicando a presença de uma grande discrepância.

O novo resultado também discorda de medições anteriores de outros experimentos de colisores, que foram amplamente consistentes com a previsão do Modelo Padrão. Ainda não está claro se esse resultado é causado por algum viés desconhecido dentro do experimento ou se é o primeiro sinal de uma nova física.

Se o resultado do CDF se confirmar e outros experimentos puderem verificá-lo, pode ser um sinal de que há mais na massa do bóson W do que sua interação com o Higgs. Talvez uma partícula ou campo anteriormente desconhecido, ou talvez até a matéria escura, esteja interagindo com o bóson W de uma maneira que o Modelo Padrão atualmente não prevê. 

No entanto, o resultado é um passo importante para testar a precisão do Modelo Padrão, disse o co-porta-voz do CDF David Toback, professor de física e astronomia da Texas A&M University. "Agora cabe à comunidade de física teórica e outros experimentos acompanhar isso e esclarecer esse mistério", disse ele.

Os pesquisadores descreveram seus resultados em 7 de abril na revista Science.

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Referência:

SUTTER, Paul. Oddly heavy particle may have just broken the reigning model of particle physics. Live Science, Nova York, 08, abr. 2022. Disponível em: <https://www.livescience.com/heavy-w-boson-measurement-cracking-standard-model>. Acesso em: 08, abr. 2022.