Las noticias hablan sobre un “bosón W”: entienda acá por qué el alboroto

Este mes de abril del 2022 arrancó con conmociones en la física, a los niveles más fundamentales. Entre el 7 y 8 de abril se anunció una noticia que podría ser una de las más importantes en las últimas décadas: “Sorpresa en la medida de la masa de una partícula amenaza con controvertir el modelo estándar”, fue como describió el evento la revista Nature.

Algunos medios titularon el acontecimiento de manera hiperbólica, asegurando que el modelo estándar, la teoría con la que describimos a las partículas fundamentales, estaba viendo su final. Otros medios fueron un poco más cautos, sin dejar de expresar la gran sorpresa por la publicación científica. El gancho de la noticia en la revista Nature, por ejemplo, dice, “Usando datos de un viejo experimento se encontró que la masa del bosón W es mayor a lo que la teoría predice, dando pistas para posibles grandes hallazgos futuros”. (Le puede interesar: Los nuevos datos que cuestionan una antigua teoría de la física de partículas)

Para entender por qué la sorpresa, habría que empezar por explicar lo básico. ¿Qué es el bosón W? La respuesta implica un poco de historia. El modelo estándar de la física de partículas, que busca describir las leyes que las rigen, se estableció preponderantemente en las décadas de los 70 y 80, pero los descubrimientos de todas sus piezas se han extendido por más décadas. En los 90 se encontró en los experimentos CDF y D0, los dos grandes detectores de partículas del acelerador Tevatron, una partícula importantísima, el quark top, la partícula elemental de mayor masa conocida hasta nuestros días. En el 2012 se encontró el famoso bosón de Higgs, la partícula responsable de dotar de masa al resto de partículas elementales, en los experimentos ATLAS y CMS, los dos más grandes detectores del LHC (El gran colisionador de hadrones). Pero el bosón W se descubrió muy tempranamente en la década de los 80. (

Todas estas partículas, y muchas más, configuran nuestro entendimiento más fundamental de la naturaleza, el conocimiento de cómo funciona a dimensiones mucho más pequeñas que la de un núcleo atómico. El bosón W es una pieza clave en este rompecabezas, tan clave que su descubrimiento fue una de las razones para que Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieran el Nobel de física de 1984. De allí que el correcto entendimiento de las propiedades de esta partícula sea crucial para nuestra comprensión de la naturaleza. Una de esas propiedades es su masa, que ha sido medida por muchos experimentos y que hoy constituye el corazón de esta noticia y de la conmoción que ha provocado. (Lea también: Científicos descubren la galaxia más lejana hallada hasta ahora)

Esta nueva medida de la masa del bosón W se logró gracias a un viejo experimento que ya hemos mencionado, el CDF. Su nombre en inglés sería Collider Detector at Fermilab, que quiere decir que es uno de los detectores instalados en el colisionador que estuvo ubicado en el laboratorio Fermilab de Estados Unidos, el Tevatron. Tanto el colisionador, que chocaba protones contra antiprotones (la antipartícula del protón) como el experimento CDF, dejaron de funcionar en el año 2011, pero sus datos se siguen analizando. Nuestra gran noticia es producto de ese análisis, si se quiere, “post mórtem”.

¿Pero cuál es la gran noticia? Los resultados de estudiar los datos del CDF han arrojado que la masa de W es mayor a lo que el modelo estándar predice (es decir, de esa teoría que se construyó entre los 70 y 80). Recuérdese que el bosón W está en el corazón de esta teoría, por lo que esta sorpresa va directamente en contravía de los fundamentos del modelo estándar. Es más, esta masa se ha medido por numerosos experimentos, ¡y todo parecía “estar bien”, “estar en orden”!

Para entender un poco mejor este asunto imaginemos por un momento que queremos saber cuánto es nuestra masa corporal. Para ello decidimos ir a cada farmacia en las cercanías y pesarnos en sus básculas. En cada una de ella obtendremos un peso y una incertidumbre sobre la medida. Por ejemplo, la primera farmacia tiene una báscula un tanto antigua que mide el peso en kilogramos y tiene una precisión de medio kilogramo. Por lo tanto, cuando nos pesemos en ella sabremos nuestro peso con una incertidumbre de medio kilogramo. (Le sugerimos: Así se escuchan los nuevos sonidos en Marte que descubrió el Perseverance)

Así, repetimos la medida de nuestra masa corporal en varios lugares. Imaginemos, además, que todas las medidas que se toman están más o menos de acuerdo. Es decir, y poniendo números para ejemplificar, en la primera se obtuvo 81 kg, en la segunda, 80 kg, en la tercera, 79 kg y así sucesivamente. Ninguno de los números está muy lejos, muy apartado, del otro. Esto nos lleva a decir que podemos tomar un promedio entre todas esas medidas para saber nuestra masa corporal real. Digamos que de ese promedio se obtiene que tal masa es 80.01 kg con una incertidumbre de 0.01 kilogramos.

Pero luego nos informan que acaban de instalar, en una nueva farmacia, la báscula más precisa de toda la ciudad y decidimos ir a utilizarla para confirmar el resultado. Nos pesamos allí y obtenemos 80.08 kg, ¡70 gramos más! Pero además la incertidumbre de esta báscula es de tan solo un gramo. El resultado del promedio es fuertemente inconsistente con el de la nueva báscula. El dueño está seguro de que el aparato funciona correctamente. Y nosotros revisamos una y otra vez el promedio, sin encontrar error en el cálculo. ¿Qué hacemos?

Justo en ese punto estamos con esta nueva medida de la masa del bosón W. Los científicos que realizaron la medida en el experimento CDF hicieron un enorme esfuerzo por asegurarse que todo el procedimiento que emplearon fuera correcto. Si bien nuestro ejemplo nos llevaría a pensar que medir una masa es algo relativamente sencillo, en realidad es un proceso tremendamente complejo en el caso de partículas fundamentales; y más aún si se quiere lograr una precisión récord, como la que efectivamente lograron.

De ser cierto este resultado, tendrán que venir otros experimentos a corroborar la medida y adicionalmente habrá que tener una explicación para que todas las medidas pasadas apuntaran sistemáticamente hacia una masa del bosón W más pequeña. Mientras eso sucede - proceso que puede tomar años - vendrá la discusión por parte de toda la comunidad de científicos interesados en este asunto. Algunos tratando de encontrarle explicación al resultado experimental del CDF, algunos tratando de construir una nueva teoría compatible con el resultado. Pero como en todo buen ejercicio científico, poniendo bajo la lupa de la duda cada una de las piezas de este maravilloso enigma.

*José David Ruiz Álvarez es profesor Asistente del Instituto de física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Antioquia. Fulbright Visiting Scholar.

@ruizjosedavid

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Este mes de abril del 2022 arrancó con conmociones en la física, a los niveles más fundamentales. Entre el 7 y 8 de abril se anunció una noticia que podría ser una de las más importantes en las últimas décadas: “Sorpresa en la medida de la masa de una partícula amenaza con controvertir el modelo estándar”, fue como describió el evento la revista Nature.

Algunos medios titularon el acontecimiento de manera hiperbólica, asegurando que el modelo estándar, la teoría con la que describimos a las partículas fundamentales, estaba viendo su final. Otros medios fueron un poco más cautos, sin dejar de expresar la gran sorpresa por la publicación científica. El gancho de la noticia en la revista Nature, por ejemplo, dice, “Usando datos de un viejo experimento se encontró que la masa del bosón W es mayor a lo que la teoría predice, dando pistas para posibles grandes hallazgos futuros”. (Le puede interesar: Los nuevos datos que cuestionan una antigua teoría de la física de partículas)

Para entender por qué la sorpresa, habría que empezar por explicar lo básico. ¿Qué es el bosón W? La respuesta implica un poco de historia. El modelo estándar de la física de partículas, que busca describir las leyes que las rigen, se estableció preponderantemente en las décadas de los 70 y 80, pero los descubrimientos de todas sus piezas se han extendido por más décadas. En los 90 se encontró en los experimentos CDF y D0, los dos grandes detectores de partículas del acelerador Tevatron, una partícula importantísima, el quark top, la partícula elemental de mayor masa conocida hasta nuestros días. En el 2012 se encontró el famoso bosón de Higgs, la partícula responsable de dotar de masa al resto de partículas elementales, en los experimentos ATLAS y CMS, los dos más grandes detectores del LHC (El gran colisionador de hadrones). Pero el bosón W se descubrió muy tempranamente en la década de los 80. (

Todas estas partículas, y muchas más, configuran nuestro entendimiento más fundamental de la naturaleza, el conocimiento de cómo funciona a dimensiones mucho más pequeñas que la de un núcleo atómico. El bosón W es una pieza clave en este rompecabezas, tan clave que su descubrimiento fue una de las razones para que Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieran el Nobel de física de 1984. De allí que el correcto entendimiento de las propiedades de esta partícula sea crucial para nuestra comprensión de la naturaleza. Una de esas propiedades es su masa, que ha sido medida por muchos experimentos y que hoy constituye el corazón de esta noticia y de la conmoción que ha provocado. (Lea también: Científicos descubren la galaxia más lejana hallada hasta ahora)

Esta nueva medida de la masa del bosón W se logró gracias a un viejo experimento que ya hemos mencionado, el CDF. Su nombre en inglés sería Collider Detector at Fermilab, que quiere decir que es uno de los detectores instalados en el colisionador que estuvo ubicado en el laboratorio Fermilab de Estados Unidos, el Tevatron. Tanto el colisionador, que chocaba protones contra antiprotones (la antipartícula del protón) como el experimento CDF, dejaron de funcionar en el año 2011, pero sus datos se siguen analizando. Nuestra gran noticia es producto de ese análisis, si se quiere, “post mórtem”.

¿Pero cuál es la gran noticia? Los resultados de estudiar los datos del CDF han arrojado que la masa de W es mayor a lo que el modelo estándar predice (es decir, de esa teoría que se construyó entre los 70 y 80). Recuérdese que el bosón W está en el corazón de esta teoría, por lo que esta sorpresa va directamente en contravía de los fundamentos del modelo estándar. Es más, esta masa se ha medido por numerosos experimentos, ¡y todo parecía “estar bien”, “estar en orden”!

Para entender un poco mejor este asunto imaginemos por un momento que queremos saber cuánto es nuestra masa corporal. Para ello decidimos ir a cada farmacia en las cercanías y pesarnos en sus básculas. En cada una de ella obtendremos un peso y una incertidumbre sobre la medida. Por ejemplo, la primera farmacia tiene una báscula un tanto antigua que mide el peso en kilogramos y tiene una precisión de medio kilogramo. Por lo tanto, cuando nos pesemos en ella sabremos nuestro peso con una incertidumbre de medio kilogramo. (Le sugerimos: Así se escuchan los nuevos sonidos en Marte que descubrió el Perseverance)

Así, repetimos la medida de nuestra masa corporal en varios lugares. Imaginemos, además, que todas las medidas que se toman están más o menos de acuerdo. Es decir, y poniendo números para ejemplificar, en la primera se obtuvo 81 kg, en la segunda, 80 kg, en la tercera, 79 kg y así sucesivamente. Ninguno de los números está muy lejos, muy apartado, del otro. Esto nos lleva a decir que podemos tomar un promedio entre todas esas medidas para saber nuestra masa corporal real. Digamos que de ese promedio se obtiene que tal masa es 80.01 kg con una incertidumbre de 0.01 kilogramos.

Pero luego nos informan que acaban de instalar, en una nueva farmacia, la báscula más precisa de toda la ciudad y decidimos ir a utilizarla para confirmar el resultado. Nos pesamos allí y obtenemos 80.08 kg, ¡70 gramos más! Pero además la incertidumbre de esta báscula es de tan solo un gramo. El resultado del promedio es fuertemente inconsistente con el de la nueva báscula. El dueño está seguro de que el aparato funciona correctamente. Y nosotros revisamos una y otra vez el promedio, sin encontrar error en el cálculo. ¿Qué hacemos?

Justo en ese punto estamos con esta nueva medida de la masa del bosón W. Los científicos que realizaron la medida en el experimento CDF hicieron un enorme esfuerzo por asegurarse que todo el procedimiento que emplearon fuera correcto. Si bien nuestro ejemplo nos llevaría a pensar que medir una masa es algo relativamente sencillo, en realidad es un proceso tremendamente complejo en el caso de partículas fundamentales; y más aún si se quiere lograr una precisión récord, como la que efectivamente lograron.

De ser cierto este resultado, tendrán que venir otros experimentos a corroborar la medida y adicionalmente habrá que tener una explicación para que todas las medidas pasadas apuntaran sistemáticamente hacia una masa del bosón W más pequeña. Mientras eso sucede - proceso que puede tomar años - vendrá la discusión por parte de toda la comunidad de científicos interesados en este asunto. Algunos tratando de encontrarle explicación al resultado experimental del CDF, algunos tratando de construir una nueva teoría compatible con el resultado. Pero como en todo buen ejercicio científico, poniendo bajo la lupa de la duda cada una de las piezas de este maravilloso enigma.

*José David Ruiz Álvarez es profesor Asistente del Instituto de física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Antioquia. Fulbright Visiting Scholar.

@ruizjosedavid

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