La colaboración internacional CDF (Collider Detector at Fermilab) del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi ha anunciado hoy la medición más precisa hasta la fecha de la masa del bosón W, una de las partículas elementales de la naturaleza. La comunidad investigadora del CDF ha determinado la masa de esta partícula con una precisión hasta ahora nunca alcanzada, del 0.01%, utilizando los datos recogidos por el Detector del Colisionador del Fermilab (CDF, por sus siglas en inglés). El valor obtenido en la medición de la masa del bosón W ha resultado más alto de lo esperado, siendo dicha medida aproximadamente dos veces más precisa que la mejor realizada hasta la fecha.
El nuevo hallazgo, que protagoniza la portada de la revista Science esta semana, podría encaminar la investigación hacia una nueva física más allá del marco teórico del Modelo Estándar, cuyas teorías describen la naturaleza en su nivel más fundamental. Además, el valor de la masa obtenido pone a prueba y hace tambalear este consolidado modelo físico, pues el resultado logrado es mayor (7 desviaciones estándar, en la jerga física) que el que se predice utilizando las aportaciones experimentales y teóricas del Modelo Estándar.
"El número de mejoras y comprobaciones adicionales que se han llevado a cabo para obtener nuestro resultado es enorme", afirma Ashutosh V. Kotwal, de la Universidad de Duke, que ha dirigido este análisis y es uno de los 400 científicos de la colaboración CDF. "Hemos tenido en cuenta nuestra mejor comprensión del detector de partículas con el que trabajamos, así como los avances teóricos y experimentales que ya conocemos de las interacciones del bosón W con otras partículas. Cuando finalmente revelamos el resultado, comprobamos que difería de la predicción del Modelo Estándar".
"Aunque se trata de un resultado intrigante, la medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda interpretarse plenamente", ha declarado el subdirector del Fermilab, Joe Lykken.
Si se confirma, esta nueva medida de la masa del bosón W sugiere la posible necesidad de ampliar el Modelo Estándar o de mejorar los cálculos y predicciones que se extraen de él.
Una investigación de largo recorrido
El bosón W es una partícula mensajera de la fuerza nuclear débil y es responsable de los procesos nucleares que hacen brillar el Sol y de la descomposición de las partículas. Su masa es aproximadamente 80 veces la masa de un protón, es decir, unos 80000 MeV/c2. Los investigadores de la colaboración CDF llevan más de 20 años trabajando para conseguir mediciones cada vez más precisas de este valor. Utilizando colisiones de partículas a altas energías producidas en el colisionador Tevatrón del Fermilab, la colaboración ha recopilado enormes cantidades de datos que contienen bosones W desde 1985 hasta 2011. Esta nueva medida de la masa del bosón W, basada en la observación de 4,2 millones de candidatos a bosón W, ha resultado en un valor de 80433 +/- 9 MeV/c2, con una precisión que supera la de todas las mediciones anteriores. El valor obtenido ha sorprendido a la comunidad científica por ser "mayor de lo esperado" y los autores del experimento destacan que "la medición está en tensión significativa con la expectativa del Modelo Estándar".
"Muchos experimentos de colisionadores han realizado mediciones de la masa del bosón W a lo largo de los últimos 40 años", dijo el coportavoz del CDF Giorgio Chiarelli, del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia (INFN-Pisa). "Se trata de mediciones difíciles y complicadas de realizar, que han alcanzado una precisión cada vez mayor. Nos ha llevado muchos años revisar todos los detalles y las comprobaciones necesarias. Es nuestra medición más robusta hasta la fecha, y la discrepancia entre los valores medidos y los esperados está ahí, es algo que no podemos pasar por alto".
La colaboración también ha comparado su resultado con el mejor valor esperado para la masa del bosón W utilizando el Modelo Estándar, que es de 80357 ± 6 MeV/c2. Este valor se obtiene realizando complejos cálculos que vinculan la masa del bosón W con las masas de otras dos partículas: el quark top, descubierto en el colisionador Tevatrón del Fermilab en 1995, y el bosón de Higgs, descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en 2012.
El coportavoz de la FCD, David Toback, de la Universidad de Texas, ha declarado que el resultado es una importante contribución para probar la exactitud del Modelo Estándar. "Ahora le corresponde a la comunidad de física teórica y a otros experimentos hacer un seguimiento de esto y arrojar luz sobre este misterio. Si la diferencia entre el valor experimental y el esperado se debe a algún tipo de nueva partícula o interacción subatómica, que es una de las posibilidades, hay muchas probabilidades de que sea algo que se pueda descubrir en futuros experimentos".
El Modelo Estándar se vio consolidado con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, pero esta nueva medida de la masa del bosón W hace tambalear estas teorías y, de confirmarse el resultado mediante otros experimentos, podría cambiar el rumbo de la física de partículas.
Participación española en este nuevo hallazgo
Unos 400 científicos de 54 instituciones pertenecientes a 23 países forman la colaboración CDF. Investigadores del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), del Instituto de Física de Altas Energías de Barcelona (IFAE) y del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid (CIEMAT) forman parte de esta colaboración perteneciente al Fermilab, consolidando la representación española en el experimento CDF. Los tres centros mencionados forman parte de la Red Consolider CPAN, que congrega a la comunidad española investigadora en física de partículas, astropartículas y nuclear.
Alberto Ruiz, investigador del IFCA, ha ofrecido más datos acerca de esta nueva medición de la masa del bosón W para la agencia SINC: “esta nueva medida está realizada con mayor estadística y mejor sistemática, por lo que se tiene mejor precisión”, y agrega que “el resultado se desvía del modelo estándar, pero es una medida experimental y son los datos los que dan ese resultado. Tendrá que ser validada por futuros experimentos, por ejemplo, en el LHC”.
La misma prudencia manifiesta Mario Martínez, investigador del IFAE que trabajó en Tevatrón durante años: "esta es una medida muy importante que requiere muchísima precisión, por eso se explica que se haya tardado más de 10 años en publicarla. De momento, yo recomiendo cautela. Las medidas anteriores sí coincidían con la teoría, por lo que puede haber algún error en la calibración del instrumento de EE UU. Habrá que esperar la confirmación con el LHC”, ha declarado el investigador para El País.
El testimonio de los investigadores deja clara la necesidad de futuras mediciones para arrojar más luz sobre este inesperado resultado obtenido por la colaboración CDF del Fermilab.
