“Você pode fazer isso rapidamente, pode fazer isso barato ou pode fazer certo. 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 físico de partículas de alta energia e faço parte da equipe de centenas de cientistas que construiu e administrou o Detector de Colisor 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 num artigo publicado na revista Science em 7 de abril de 2022, eletrizaram 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 sobre 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 unidos. Mas alguns núcleos são instáveis e sofrem decaimento radioativo, liberando energia lentamente através da emissão de partículas. Este processo é impulsionado pela força fraca e, desde o início de 1900, os físicos procuraram uma explicação para o porquê 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 fosse 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 têm trabalhado na lista de partículas previstas ainda não descobertas e medido as 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 aproximada de um átomo de tamanho médio, como o bromo.
Na década de 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 experiências sucessivas e finalmente o descobrimos em 2012 no Grande Colisor de Hádrons do CERN.
O Modelo Padrão estava completo e todas as medições que fizemos combinavam perfeitamente com as 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 novamente em partículas mais leves. Os físicos usam detectores enormes e muito sensíveis em locais como o Fermilab e o 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 com 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 rapidamente que é impossível medi-los diretamente. Assim, os físicos rastreiam a energia produzida a partir do seu decaimento para medir a massa dos bósons W.
Nos 40 anos desde que os cientistas detectaram pela primeira vez evidências do bóson W, experiências sucessivas alcançaram medições cada vez mais precisas da sua massa. Mas foi apenas a partir da medição do bóson de Higgs – uma vez que dá massa a todas as outras partículas – que os investigadores puderam comparar a massa medida dos bósons W com a massa prevista pelo Modelo Padrão. A previsão e os experimentos sempre coincidiram – até agora.
Inesperadamente Pesado
O detector CDF do Fermilab é excelente para medir com precisão os 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 ligeiramente errada, mas próxima da previsão. A equipe passou então uma década analisando meticulosamente o conjunto completo de dados. O processo incluiu inúmeras verificações cruzadas internas e exigiu anos de simulações em computador. Para evitar qualquer viés na análise, ninguém poderia ver nenhum resultado até que o cálculo completo fosse concluído.
Quando o mundo da física finalmente viu o resultado em 7 de abril de 2022, todos ficamos surpresos. Os físicos medem as massas das partículas elementares em unidades de milhões de elétron-volts – abreviados para MeV. A massa do bóson W foi de 80.433 MeV – 70 MeV maior do que o Modelo Padrão prevê que deveria ser. Isto pode parecer um pequeno excesso, mas a medição tem uma precisão 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. As experiências do CERN permitiram aos físicos medir 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 há 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 encontrar buracos nele. Além disso, experimentos futuros no CERN poderão eventualmente alcançar um resultado mais preciso que confirmará ou refutará 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 que causam o deslocamento ascendente na massa do bóson W. Mesmo antes desta medição, alguns teóricos propuseram potenciais novas partículas ou forças que resultariam no desvio observado. Nos próximos meses e anos, espero uma série de novos artigos que procurem explicar a intrigante massa dos bósons W.
Como físico de partículas, estou confiante em dizer que deve haver mais física à espera de ser descoberta para além do Modelo Padrão. Se este 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 muitas vezes não coincidem. São estes mistérios que dão aos físicos novas pistas e novas razões para continuarem a procurar uma compreensão mais completa da matéria, da energia, do espaço e do 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.
