"Você pode fazer isso rapidamente, você pode fazer barato, ou você pode fazer certo. Nós fizemos certo." Estas foram algumas das observações iniciais de David Toback, líder do Collider Detector do Fermilab, ao anunciar os resultados de um experimento de uma década para medir a massa de uma partícula chamada bóson W.
Sou um físico de partículas de alta energia e faço parte da equipe de centenas de cientistas que construíram e administraram o Collider Detector no Fermilab em Illinois – conhecido como CDF.
Após trilhões de colisões e anos de coleta de dados e processamento de números, a equipe do CDF descobriu que o bóson W tem um pouco mais de massa do que o esperado . Embora a discrepância seja pequena, os resultados, descritos em um artigo publicado na revista Science em 7 de abril de 2022, eletrificaram o mundo da física de partículas . Se a medição estiver correta, é mais um forte sinal de que faltam peças no quebra-cabeça da física de como o universo funciona.
Uma partícula que carrega a força fraca
O Modelo Padrão da física de partículas é a melhor estrutura atual da ciência para as leis básicas do universo e descreve três forças básicas : a força eletromagnética, a força fraca e a força forte.
A força forte mantém os núcleos atômicos juntos. Mas alguns núcleos são instáveis e sofrem decaimento radioativo, liberando energia lentamente emitindo partículas. Esse processo é impulsionado pela força fraca e, desde o início dos anos 1900, os físicos buscaram uma explicação para por que e como os átomos decaem.
De acordo com o Modelo Padrão, as forças são transmitidas por partículas. Na década de 1960, uma série de avanços teóricos e experimentais propuseram que a força fraca é transmitida por partículas chamadas bósons W e Z. Também postulou que uma terceira partícula, o bóson de Higgs, é o que dá massa a todas as outras partículas – incluindo os bósons W e Z.
Desde o advento do Modelo Padrão na década de 1960, os cientistas vêm trabalhando na lista de partículas previstas ainda não descobertas e medindo suas propriedades. Em 1983, dois experimentos no CERN em Genebra, na Suíça, capturaram a primeira evidência da existência do bóson W. Parecia ter a massa de aproximadamente um átomo de tamanho médio, como o bromo.
Nos anos 2000, faltava apenas uma peça para completar o Modelo Padrão e unir tudo: o bóson de Higgs. Ajudei a procurar o bóson de Higgs em três experimentos sucessivos, e finalmente o descobrimos em 2012 no Large Hadron Collider do CERN.
O Modelo Padrão estava completo e todas as medições que fizemos se encaixaram perfeitamente nas previsões.
Medindo Bósons W
Testar o Modelo Padrão é divertido. Você simplesmente esmaga partículas em energias muito altas. Essas colisões produzem brevemente partículas mais pesadas que depois decaem de volta para as mais leves. Os físicos usam detectores enormes e muito sensíveis em lugares como Fermilab e CERN para medir as propriedades e interações das partículas produzidas nessas colisões.
No CDF, os bósons W são produzidos cerca de uma em cada 10 milhões de vezes quando um próton e um antipróton colidem. Os antiprótons são a versão antimatéria dos prótons, com exatamente a mesma massa, mas carga oposta. Os prótons são feitos de partículas fundamentais menores chamadas quarks, e os antiprótons são feitos de antiquarks. É a colisão entre quarks e antiquarks que cria os bósons W. Os bósons W decaem tão rápido que são impossíveis de medir diretamente. Assim, os físicos rastreiam a energia produzida a partir de seu decaimento para medir a massa dos bósons W.
Nos 40 anos desde que os cientistas detectaram pela primeira vez evidências do bóson W, experimentos sucessivos atingiram medições cada vez mais precisas de sua massa. Mas é somente a partir da medição do bóson de Higgs – já que ele dá massa a todas as outras partículas – que os pesquisadores puderam comparar a massa medida dos bósons W com a massa prevista pelo Modelo Padrão . A previsão e os experimentos sempre combinavam – até agora.
Inesperadamente Pesado
O detector de CDF no Fermilab é excelente para medir com precisão bósons W. De 2001 a 2011, o acelerador colidiu prótons com antiprótons trilhões de vezes, produzindo milhões de bósons W e registrando o máximo de dados possível de cada colisão.
A equipe do Fermilab publicou os resultados iniciais usando uma fração dos dados em 2012. Descobrimos que a massa estava um pouco fora, mas próxima da previsão. A equipe passou uma década analisando meticulosamente o conjunto de dados completo. O processo incluiu várias verificações cruzadas internas e exigiu anos de simulações de computador. Para evitar qualquer viés na análise, ninguém podia ver nenhum resultado até que o cálculo completo estivesse completo.
Quando o mundo da física finalmente viu o resultado em 7 de abril de 2022, todos ficamos surpresos. Os físicos medem as massas de partículas elementares em unidades de milhões de elétron-volts – encurtados para MeV. A massa do bóson W foi de 80.433 MeV - 70 MeV maior do que o Modelo Padrão prevê que deveria ser. Isso pode parecer um pequeno excesso, mas a medição é precisa dentro de 9 MeV. Este é um desvio de quase oito vezes a margem de erro. Quando meus colegas e eu vimos o resultado, nossa reação foi um sonoro "uau!"
O que isso significa para o modelo padrão
O fato de a massa medida do bóson W não corresponder à massa prevista no Modelo Padrão pode significar três coisas. Ou a matemática está errada, a medição está errada ou há algo faltando no Modelo Padrão.
Primeiro, a matemática. Para calcular a massa do bóson W, os físicos usam a massa do bóson de Higgs. Os experimentos do CERN permitiram que os físicos medissem a massa do bóson de Higgs com uma precisão de um quarto por cento. Além disso, os físicos teóricos têm trabalhado nos cálculos da massa do bóson W por décadas . Embora a matemática seja sofisticada, a previsão é sólida e provavelmente não mudará.
A próxima possibilidade é uma falha no experimento ou análise. Físicos de todo o mundo já estão revisando o resultado para tentar fazer furos nele. Além disso, futuros experimentos no CERN podem eventualmente alcançar um resultado mais preciso que irá confirmar ou refutar a massa do Fermilab. Mas, na minha opinião, o experimento é uma medida tão boa quanto possível atualmente.
Isso deixa a última opção: existem partículas ou forças inexplicáveis causando o deslocamento para cima na massa do bóson W. Mesmo antes dessa medição, alguns teóricos propuseram novas partículas ou forças potenciais que resultariam no desvio observado. Nos próximos meses e anos, espero uma série de novos artigos buscando explicar a massa intrigante de bósons W.
Como físico de partículas, estou confiante em dizer que deve haver mais física esperando para ser descoberta além do Modelo Padrão. Se esse novo resultado se mantiver, será o mais recente de uma série de descobertas que mostram que o Modelo Padrão e as medições do mundo real geralmente não coincidem. São esses mistérios que dão aos físicos novas pistas e novas razões para continuar buscando uma compreensão mais completa da matéria, energia, espaço e tempo.
John Conway é um físico experimental de partículas de alta energia e está atualmente envolvido em dois grandes experimentos: CDF no Fermilab Tevatron em Batavia, Illinois, e CMS no Large Hadron Collider no CERN em Genebra, Suíça. Ele recebe financiamento do Departamento de Energia dos EUA e da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Você pode encontrar o artigo original aqui .
