Este artigo foi publicado originalmente em Conversação. Post contribuiu com este artigo para Space.com Vozes de especialistas: editorial e insights.
John ConwayProfessor de Física, Universidade da Califórnia, Davis
“Você pode fazer isso rapidamente, você pode fazer de forma barata, ou você pode fazer certo. Nós fizemos certo.” Estas foram algumas das observações iniciais de David Toback, líder do detector de colisores do Fermilab, ao anunciar os resultados de um experimento de dez anos para Meça a massa de uma partícula chamada bóson W.
mim Físico de partículas de alta energiae faço parte de uma equipe de centenas de cientistas que construíram e operaram o detector Collider 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 uma massa ligeiramente maior do que o esperado. Embora a discrepância seja pequena, os resultados apresentados em papel Publicado na Science em 7 de abril Físico de partículas eletrizantes. Se a medição estiver correta, então é Outro sinal forte Que há peças faltando no quebra-cabeça físico de como o universo funciona.
uma partícula que carrega a força fraca
o Modelo Padrão de Física de Partículas É a melhor estrutura científica atual para as leis fundamentais do universo e Descreve três forças fundamentais: Força eletromagnética, força fraca e força forte.
A força forte mantém os núcleos atômicos juntos. Mas alguns núcleos são instáveis e sofrem decaimento radioativo, liberando energia lentamente por emissão de partículas. Esse processo é impulsionado pela força fraca e, desde o início dos anos 1900, os físicos procuram explicar 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 Ele propôs que a força fraca era transmitida por partículas chamadas bósons W e Z. Ele também assumiu que a terceira partícula, o bóson de Higgs, era o que dá a todas as outras partículas – incluindo os bósons W e Z – massa.
Desde o surgimento do Modelo Padrão na década de 1960, os cientistas vêm percorrendo a lista de partículas esperadas, até então desconhecidas, e medindo suas propriedades. Em 1983, duas experiências no CERN em Genebra, Suíça, Capturado a primeira evidência da existência de um bóson W. Parece conter aproximadamente a massa de um átomo de tamanho médio como o bromo.
Em 2000, faltava uma peça para completar o Modelo Padrão e unir tudo: Bóson de Higgs. Ajudei a procurar o bóson de Higgs em três experimentos consecutivos e, finalmente, Descobri em 2012 No Grande Colisor de Hádrons do CERN.
O Modelo Padrão estava completo e todas as medições que fizemos se encaixavam perfeitamente nas previsões.
Medição dos bósons W
Testar a forma padrão é divertido – você apenas esmaga partículas com energia muito alta. Essas colisões produzem partículas mais pesadas por um tempo e depois decaem novamente em partículas mais leves. Os físicos estão usando detectores enormes e altamente sensíveis em lugares como Fermilab e CERN para medir as propriedades e interações das partículas produzidas por essas colisões.
Em CDF, os bósons W. são produzidos Uma em 10 milhões de vezes Quando um próton e um antipróton colidem. Os antiprótons são a versão antimatéria dos prótons, tendo exatamente a mesma massa, mas com uma 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 Criar bósons W. Os bósons W decaem muito rapidamente para serem medidos diretamente. Assim, os físicos rastreiam a energia de seu decaimento para medir a massa dos bósons W.
Nos 40 anos desde que os cientistas descobriram evidências do bóson W, experimentos sucessivos alcançaram medições mais precisas de sua massa. Mas somente desde que o bóson de Higgs foi medido – uma vez que dá massa a todas as outras partículas – os pesquisadores foram capazes de examinar a massa medida de bósons W versus Massa prevista pelo Modelo Padrão. Previsão e experimentos sempre foram idênticos – até agora.
Inesperadamente pesado
O detector de CDF do 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.
Fermilab. equipe publicada primeiros resultados Usando uma fração dos dados de 2012. Descobrimos que o bloqueio está um pouco errado, mas está perto da previsão. A equipe passou uma década analisando meticulosamente todo o conjunto de dados. O processo envolveu muitas verificações internas e exigiu anos de simulação em computador. Para evitar qualquer viés na análise, ninguém conseguiu ver nenhum resultado até que todo o cálculo fosse concluído.
Quando o físico 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 – abreviado para MeV. massa do bóson W Saiu para ser 80.433 megaelectronvolts – 70 MeV maior do que o modelo padrão prevê. Isso pode parecer um pequeno excesso, mas a medição é precisa dentro de 9 meV. Este é um desvio de aproximadamente oito vezes a margem de erro. Quando meus colegas e eu vimos o resultado, nossa reação foi “Uau!”
O que isso significa para o modelo padrão
O fato de a massa medida do bóson W não corresponder à massa esperada no Modelo Padrão pode significar três coisas. Ou a matemática está errada, a medição está errada ou algo está faltando no Modelo Padrão.
Primeiro, a matemática. Para calcular a massa do bóson W, os físicos usam a massa do bóson de Higgs. Experimentos do CERN permitiram que os físicos o fizessem Medição da massa do bóson de Higgs dentro de um quarto de por cento. Além disso, os físicos teóricos Trabalhando em cálculos de massa de bósons W por décadas. Embora a matemática seja complexa, a previsão é poderosa e improvável de mudar.
A próxima possibilidade é um defeito 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 o bloqueio do Fermilab. Mas, na minha opinião, a experiência 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 analogia, alguns teóricos já haviam Novas partículas ou forças potenciais propostas Isso levaria a um desvio perceptível. Nos próximos meses e anos, espero uma série de novos artigos que procuram 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 este novo resultado se mantiver, será o mais recente de uma série de resultados que mostram que o Modelo Padrão e as medições do mundo real geralmente Não combina muito. São esses mistérios que dão aos físicos novas pistas e novas razões para continuar a busca por uma compreensão mais completa da matéria, energia, espaço e tempo.
Este artigo foi republicado de Conversação Sob uma Licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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