Mais pesado do que esperado

A partir da análise de dados coletados ao longo de uma década, a colaboração CDF (Collider Detector at Fermilab) do Laboratório do Acelerador Nacional Fermi (Fermi National Accelerator Laboratory - Fermilab) anunciou, no dia 7 de abril de 2022, a medição mais precisa da massa do bóson W. O valor obtido, MW = 80.433,5 ± 9,4 MeV/c2, tem uma precisão de 117 partes por milhão, sendo cerca de duas vezes mais preciso do que o conhecido até então, e revela uma tensão com o Modelo Padrão da Física de Partículas (MP).

O que é o modelo padrão?

Ao longo dos últimos 60 anos, o MP tem se mostrado uma das teorias mais bem sucedidas de toda a ciência ao combinar a mecânica quântica, a relatividade restrita, a simetria de calibre e muita teoria de grupos para descrever a matéria e suas interações fundamentais com incrível precisão. Em 2012, a última peça teoricamente proposta para a consistência do modelo, o bóson de Higgs, foi finalmente detectada experimentalmente, demonstrando de forma inquestionável o sucesso da teoria.

Contudo, é bem sabido que o MP tem seus problemas. Trata-se de uma teoria incompleta, afinal não é capaz de descrever a matéria escura, que compõe cerca de 84% do universo, e nem de incorporar a gravidade de uma maneira consistente. Consequentemente, físiques ao redor do mundo vêm tentando encontrar novos fenômenos que desafiem o MP, com a esperança de encontrarem dicas de como estender a teoria. Uma das formas de se fazer isso é através de medições ultra precisas dos parâmetros do MP, como as massas das partículas ou o momento magnético anômalo do múon, posto que tais parâmetros são severamente vinculados pelas simetrias do MP.

O que é o bóson W?

A existência e as propriedades do bóson W foram originalmente previstas na década de 1960, mas apenas confirmadas experimentalmente em 1983 no CERN. Trata-se de uma das partículas fundamentais do MP cujo papel é mediar a interação fraca, da mesma forma que o fóton faz com a força eletromagnética. A força fraca é a responsável, por exemplo, pelo decaimento beta e pelos processos nucleares que fazem o Sol brilhar. Sua massa, correspondente a cerca de 80 vezes a massa de um próton, é gerada através de interações com o bóson de Higgs, um processo descrito, porém não explicado, pelo MP. Trata-se, pois, de um parâmetro cujo valor pode ser previsto teoricamente a partir de uma combinação de resultados analíticos, envolvendo a análise de expansões perturbativas baseadas nas simetrias da teoria, e de um conjunto de medições muito precisas de observáveis, como a carga do elétron e as massas das demais partículas, incluindo o bóson de Higgs e o quark top. Consequentemente, uma medição muito precisa da massa do W fornece um teste de autoconsistência do MP.

Figura 1: A massa do bóson W de acordo com diversos experimentos. As barras horizontais indicam a incerteza das medições, enquanto que a barra cinza vertical, a previsão teórica do MP.

Fonte: CDF Collaboration

O que foi medido?

Ao longo dos últimos 30 anos, o valor da massa do bóson W foi sendo medido com precisão cada vez maior. Entre 2002 e 2011, o Tevatron do Fermilab produziu uma enorme quantidade de dados sobre o bóson W através da aniquilação de quarks e antiquarks produzidos em colisões de prótons e antiprótons. O resultado foi uma massa maior do que a prevista teoricamente por 7 desvios padrões. Podemos estar observando os primeiros sinais indiretos de novas partículas ou, até mesmo, novas interações que são ou massivas demais para serem produzidas em nossos aceleradores, ou simplesmente que escapam à tecnologia dos detectores atuais. Tais efeitos na massa do W não tinham sido observados até então, vide Figura 1. Entretanto, foi a partir desse tipo de observação que pudemos investigar, por exemplo, as massas do quark top e do bóson de Higgs antes de suas descobertas. Por outro lado, é imprescindível termos cautela. Afinal, toda afirmação extraordinária precisa de evidências extraordinárias. O resultado obtido pela colaboração CDF ainda requer a confirmação de experimentos independentes para poder ser creditado como uma descoberta. Em particular, cientistas do LHC já coletaram uma quantidade ainda maior de dados sobre o bóson W e poderiam, em princípio, fornecer uma medição ainda mais acurada.

O que isso significa para a física de partículas?

Se confirmada, tal discrepância na massa do bóson W é um forte indicativo da física além do modelo padrão. Dentre as possíveis explicações teóricas está a famigerada supersimetria, uma simetria do espaçotempo que, ao relacionar férmions com bósons, permite um melhor entendimento das propriedades do MP, bem como uma conexão com descrições mais fundamentais do universo, como a teoria de cordas. Em particular, ao considerarmos extensões supersimétricas do MP, a massa prevista para o bóson W torna-se compatível com as novas medições experimentais, vide Figura 2. Entretanto, nenhuma das diversas partículas exóticas necessárias para a existência de extensões supersimétricas do MP foi ainda encontrada, a despeito do enorme esforço já empreendido nessa tarefa. Há muito trabalho ainda a ser feito tanto do ponto de vista teórico quanto experimental. A física de partículas está longe de ser uma área morta!

Figura 2: Comparação das medições experimentais para a massa do bóson W e suas previsões teóricas. A elipse contínua vermelha mostra os valores de massa para o bóson W com respeito à massa do quark top compatíveis com os resultados do CDF, enquanto que a elipse tracejada cinza, com os resultados anteriores do LEP-Tevatron. A linha roxa corresponde à previsão do MP, enquanto que a região verde, às previsões de extensões supersimétricas mínimas do MP para uma variedade de parâmetros.

Fonte: CDF Collaboration

Referências

Texto por: Gabrielle Weber

Como Noether salvou a Física?

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