¿Qué hay más allá del modelo estándar? Esto es lo que significa el bosón W pesado para el futuro de la física

Portada del número actual de Cienciala revista líder de 142 años de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, y una de las mejores revistas académicas revisadas por pares del mundo, ha podido transmitir un gran descubrimiento contenido en sus páginas.

El cemento de gran tamaño se encuentra sobre los restos destrozados de una mesa que resume perfectamente el complejo esquema de 17 partículas que la mayoría de los físicos creen que son los componentes básicos de la materia.

Debajo de la imagen, escriba las palabras «Peso pesado: masa del bosón W medida más alta de lo esperado».

El resultado es la cura de Muhammad Ali porque la teoría representada por la Mesa Rota, el modelo estándar de la física de partículas, es «desde cualquier punto de vista, la teoría científica más exitosa de la historia», según el físico teórico de la Universidad de Cambridge, David Tong. «[It] Da la respuesta correcta a cientos de miles de experimentos y, en algunos casos, con una precisión sin precedentes en la ciencia».

Pero esta vez, no sucedió.

Geometría interesante se sentó con físicos de partículas Ashutosh KotwalY Autor principal del artículo, para descubrir por qué los descubrimientos fueron importantes y cómo su equipo logró tal hazaña de ingeniería.

La física elemental lideró las últimas investigaciones.

Si desea una indicación de la cantidad de tiempo necesaria para procesar números y verificar dos veces que requiere la física moderna, considere esto. Los datos que respaldan este nuevo artículo provocativo y ficticio se recopilaron hace más de una década.

Entre 2002 y 2011, los investigadores del Fermilab del Departamento de Energía enviaron partículas subatómicas a través de un acelerador de partículas llamado Tevatron. Su trabajo consistía en prestar mucha atención a lo que sucedía justo después de que las partículas chocaran entre sí. una y otra y otra vez.

«Cuando los protones y los antiprotones chocan, muchas partículas salen volando», dice Cotwal. «En cualquier colisión dada, tal vez 30 partículas salgan volando, tal vez 50 partículas salgan volando. Desea medir la energía, la posición y la dirección de cada una de ellas», explicó.

Durante los experimentos, el Tevatron fue el acelerador de partículas más poderoso del mundo. Esto fue lo último en ciencia, pero los investigadores se basaron en conceptos de la física elemental.

“Si abres un libro de física para estudiantes universitarios, dice que las partículas cargadas forman un círculo cuando [they] pasar a través de un campo magnético. Así que lo que puedes hacer es… poner sensores de posición capa por capa [in the particle accelerator]. Entonces, cuando entra una partícula cargada, registra a dónde fue la partícula», dice Cotwal.

Estos sensores registraron paquetes de datos para que las computadoras los interpreten, como la tecnología de unión de puntos de alta tecnología. Pero en lugar de dibujar una línea bidimensional de una rana fría, estos patrones produjeron círculos cuyas dimensiones exactas contenían información valiosa.

«Física de libro de texto que si puede medir con precisión el radio de ese círculo, y si conoce con precisión la fuerza del campo magnético, puede combinarlo en una fórmula simple [to determine] energía de las partículas”, explicó.

Estudiar partículas subatómicas requiere una precisión increíble

Los investigadores utilizaron casi 30.000 sensores para medir el radio de estos círculos. Dado que medir algo tan pequeño como una partícula subatómica depende de obtener estas medidas exactamente correctas, es absolutamente necesario saber exactamente, con el nivel de precisión requerido en cualquier otra circunstancia, dónde se encuentra cada sensor.

Kotwal y su equipo confiaron en una fuente natural de partículas, los rayos cósmicos, para ayudarlos a alinear sus sensores con mayor precisión que nunca. La Tierra es bombardeada constantemente por fragmentos de átomos de alta energía que provienen de explosiones de supernovas (y posiblemente también de otros lugares, aunque los científicos no están del todo seguros). Algunas de estas partículas son protones. Cuando los protones chocan con los átomos en la atmósfera superior de la Tierra, los protones se desintegran para formar partículas subatómicas llamadas muones, que son de la misma clase que los electrones pero unas 200 veces más grandes (tanto los muones como los electrones se encuentran entre los 17 componentes del modelo estándar).

Estos muones se mueven casi a la velocidad de la luz y son increíblemente abundantes. Si mantiene su mano paralela al suelo, un muón pasará a través de ella cada segundo, en promedio. Esto significa que pasaban constantemente por el Tevatron.

“Los tratamos como líneas rectas [and] «Use estas líneas para alinear nuestros sensores», dice Cotwal.

«Demostramos que podemos disponerlos con una precisión de una micra cada uno. Antes era de tres o cuatro micras». Como referencia, un mechón de cabello tiene un grosor de aproximadamente 100 micrones.

Los investigadores realizaron más de una docena de estas mejoras la última vez que realizaron este tipo de experimento. «Toma la mitad de cada uno de ellos, cuál es su efecto y por qué… en comparación con la última vez», dice.

¿Cómo encaja este resultado en el panorama general?

Las leyes de la naturaleza en las que creían los físicos también tenían sentido (hasta cierto punto) para los no físicos hasta alrededor de 1900. Luego, dos ideas diametralmente opuestas, la mecánica cuántica y la relatividad, entraron en escena y permitieron predicciones tan precisas que los físicos serios no tenían. más remedio que tomarlos en serio.

Más de un siglo después, los investigadores todavía están buscando una manera de vincular estas teorías en una «una teoría perfecta de todo». Pero hace un siglo, el físico Paul Dirac se acercó. Cotwal dice que «elaboró ​​una teoría común» que reunió los principios de los dos enfoques.

Al principio, hubo evidencia de que su enfoque de usar las matemáticas para encontrar verdades profundas sobre la naturaleza de la materia estaba dando sus frutos.

«Una de las cosas interesantes que surgieron del trabajo de Dirac fue la predicción de que había algo parecido a la antimateria», dice. Esta predicción provino de ecuaciones que indican que la partícula debe tener una partícula opuesta que sea el espejo opuesto a ella.

«Y pronto se descubrió el antielectrón, el positrón», dice.

Con el paso de las décadas, la teoría fundamental de Dirac creció a medida que los físicos avanzaban más. Les ayudó en esto el hecho de que una rama particular de las matemáticas, la teoría de conjuntos, parecía ser la base de los muchos hilos dispares que estaban tirando.

La teoría se ha convertido en un conjunto de «principios autoconsistentes» que describen colectivamente todo lo que sabemos, todas las fuerzas… y todas las interacciones entre la materia y las fuerzas, dice Cotwal. «Así es como me estoy volviendo cada vez más holístico».

Nace el modelo estándar

Pero había un problema.

“Una cosa impide [this theory] Del trabajo, haré una declaración contundente, esto Previene El trabajo, sin embargo, es el hecho de que las partículas tienen masas «, dice Cotwal. Agregar masas a la ecuación llevó a un «colapso» de la teoría.

Pero este no era el final de la ecuación. «Algunas personas pensaron que no tenías que ignorar toda la teoría que ya funcionaba bien. Solo tenías que modificarla un poco”, dice Kotal. Ese ajuste se produjo en forma de una nueva partícula: la aún- bosón de Higgs invisible.

«En ese momento se convirtió en lo que ahora llamamos el modelo estándar, porque ahora aclara otro misterio, que es cómo surgen las masas en todo este panorama», dice.

Esta opinión se confirmó más tarde, en 2012, cuando se observó por primera vez el bosón de Higgs. Sucedió en el Gran Colisionador de Hadrones, solo dos años después de que el acelerador capturara al Tevatron como el colisionador más poderoso del mundo.

El modelo estándar no explica todo en absoluto. No puede explicar la materia oscura, la relación entre la materia ordinaria y la antimateria, ciertos aspectos del bosón de Higgs o la gravedad en particular. Pero explica casi todo.

Entonces, ¿qué es un bosón W?

Los protones y los neutrones, partículas unidas como uvas en el núcleo de un átomo, no se encuentran entre las 17 partículas del modelo estándar. Eso es porque está hecho de partículas más pequeñas llamadas quarks.

Los protones y los neutrones están formados por tres quarks cada uno (es decir, El número total de quarks menos el número total de antiquarks es siempre tres). Sin embargo, es el tercer quark muy importante el que determina si una partícula es un protón o un neutrón. Esta diferencia es enorme porque los protones necesitan neutrones para unirse y hacer algo más que una sopa subatómica.

«Todos los elementos que conocemos tienen neutrones además de protones», dice Cotwal. «sin [neutrons]El núcleo de un átomo no puede formarse.

El bosón W es muy importante porque convierte ese tercer quark en un protón y convierte todo en un neutrón. No es algo que suceda en la vida cotidiana, pero es absolutamente necesario. Sin el bosón W, nada de lo que conocemos existiría.

El universo «podría haber sido protones y electrones. Podría haber sido simplemente hidrógeno, hidrógeno en todas partes. Nada del universo que vemos a nuestro alrededor, toda la riqueza, toda la complejidad, lo que somos, habría sucedido… sin el intercambio de el bosón W. ”, dice.

¿Significa el nuevo descubrimiento la muerte del Modelo Estándar?

Es imposible decir qué significarán en última instancia los nuevos resultados para la física. Por un lado, debe ser confirmado. «Si bien este es un resultado interesante, la medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda explicarse por completo». El subdirector de Fermilab, Joe Liken, dice.

Luego, dependerá de los físicos teóricos comprender la nueva masa, un poco más grande. Los nuevos resultados pueden ser realmente Actuar ajustar ecuaciones. Ellos «observarán cuidadosamente el cálculo del Modelo Estándar puro para ver si hay margen de maniobra allí», dice Cotwal. Si bien esto parece poco probable, el modelo estándar es increíblemente complejo.

Otros teóricos probablemente considerarían «extensiones» de la teoría que actualizarían las ecuaciones para reflejar los nuevos hallazgos. Esta no sería la primera vez que nueva información ha llevado a los físicos a reimaginar esta ecuación a la luz de nueva evidencia.

Y al final, habrá más experimentos. El Gran Colisionador de Hadrones, por ejemplo, se esfuerza por responder estas mismas preguntas.

“Este es un incentivo para que todos nosotros pensemos en términos generales”, dice Cotwal. «Diría que no dejes ningún esfuerzo sin darle la vuelta. Para eso estamos. Entonces, vamos y hagamos lo que podamos. De vez en cuando, la naturaleza nos mostrará el siguiente rompecabezas. esquina.. Esta fue la historia del Modelo Estándar. Aparecieron nuevos rompecabezas [and] La gente descubre lo que quieren decir».