O nouă măsurare a unei particule fundamentale, denumită boson W, pare să sfideze modelul standard al fizicii particulelor, adică înțelegerea actuală a modului în care blocurile de bază ale universului interacționează. Rezultatul, care a fost în pregătire timp de un deceniu, va fi analizat atent, iar dacă valorile vor fi confirmate, atunci acesta ar putea conduce la teorii complet noi ale fizicii.
„Acesta ar putea fi cea mai mare descoperire de la stabilirea modelului standard din urmă cu 60 de ani”, a declarat Martijn Mulders din cadrul laboratorului CERN de fizică a particulelor de lângă Geneva, Elveția.
Modelul standard descrie trei forțe distincte: electromagnetismul, forța puternică și forța slabă. Particulele numite bosoni servesc ca mediatori pentru aceste forțe între particulele de materie. Forța slabă, care este responsabilă pentru dezintegrarea radioactivă, folosește bosonul W pe post de mesager.
Bosonii W sunt atât de esențiali pentru modelul standard, încât fizicienii au încercat să-i măsoare masa cu o precizie din ce în ce mai mare încă de când acesta a fost observat pentru prima dată în anul 1983. Toate aceste măsurători au fost, în general, în concordanță unele cu altele, lucru care a reprezentat o confirmare aparentă a validității modelului standard.
Totuși, cercetătorii sunt conștienți de faptul că modelul standard este greșit. Acesta nu are nicio explicație pentru gravitație, materia întunecată și absența antimateriei din universul nostru, așa că fizicienii caută în permanență măsurători deviante, care ar putea conduce la noi teorii.
În prezent, Ashutosh Kotwal și colegii acestuia din cadrul Universității Duke din Carolina de Nord au anunțat o nouă măsurare a masei bosonilor W folosind datele preluate din cadrul acceleratorului Tevatron din Illinois. Aceștia au determinat faptul că particula are o masă de 80,4335 gigaelectronvolți (GeV).
Masa general acceptată pentru bosonul W este de 80,379 gigaelectronvolți și, deși discrepanța poate părea una mică, noua valoare este cea mai precisă de până acum.
Mai important, diferența față de valoarea general acceptată a masei bosonului W are o semnificație statistică de aproximativ 5 sigma, corespunzătoare unei probabilități de aproximativ 1 la 3,5 milioane ca un model de date ca acesta să apară ca o întâmplare statistică.
Deși fizicienii folosesc în mod normal termenul 5 sigma ca nivel de semnificație pentru a considera ceva drept „descoperire”, diferența dintre noua măsurare a masei și cea prezisă de modelul standard este și mai mare, aceasta putând fi clasificată drept 7 sigma. Aceasta corespunde cu o probabilitate de a obține un rezultat ca acesta din întâmplare de aproximativ 1 din 780 de miliarde.
Deși Kotwal și echipa sa sunt conștienți de faptul că fac o afirmație extraordinară, care ar putea revoluționa fizica modernă, el a declarat că a făcut toate testele la care se putea gândi pentru a o confirma. „Cu toate că există o mică incertitudine sistematică, acum este timpul ca și alți cercetători să analizeze rezultatul. Noi suntem de părere că acesta este unul corect”, a declarat Ktowal.
Echipa a măsurat masa bosonului prin ciocnirea fasciculelor de protoni și antiprotoni și analizarea particulelor produse în urma coliziunii. Deși analiza a fost atât de complexă încât producerea rezultatului a durat mai mult de un deceniu (din cauza faptului că acceleratorul Tevatron a fost oprit în anul 2011), implicațiile potențiale sunt uriașe.
„Dacă masa bosonului W se abate atât de mult de la modelul standard și dacă înțelegem toate incertitudinile sistematice, atunci aceasta este o descoperire uriașă”, declarat Ulrik Egede din cadrul Universității Monash din Australia.
„Dacă” este punctul important pentru mulți fizicieni care, deși sunt entuziasmați de rezultat, sunt precauți cu privire la divergența acestuia față de măsurătorile anterioare. „Trebuie să înțelegem mai întâi discrepanța dintre acest rezultat și toate celelalte experimente înainte de a ne gândi la explicații care nu sunt conforme cu modelul standard”, a declarat Matthias Schott din cadrul CERN, care a lucrat la o măsurare anterioară a bosonului W folosind date obținute în urma experimentului ATLAS realizat în cadrul Large Hadron Collider (LHC).
Descoperirea sursei discrepanței nu este o sarcină ușoară. Bosonii W se descompun rapid în alte particule (fie într-un electron și un neutrin de electroni, fie într-un muon și un neutrin muon mai greu). Din cauza faptului că neutrinii sunt greu de detectat, Kotwal și echipa sa au fost nevoiți să deducă poziția lor folosind volume mari de date. „Determinarea masei bosonilor W este una dintre cele mai dificile măsurători experimentale”, a declarat Egede.
Deși experimentul ATLAS, care a avut loc în anul 2018 și a avut ca scop determinarea masei masa bosonilor W, este cea mai recentă măsurare de până în prezent, acesta s-ar putea să nu fie de mare ajutor în rezolvarea enigmei. „În cadrul acestuia au fost utilizate două fascicule de protoni, și nu unul de protoni și altul de antiprotoni. Așadar, rezultatele sunt mai greu de comparat”, a declarat Kotwal.
Dacă fizicienii nu vor putea găsi o problemă cu valoarea determinată de Kotwal și echipa sa, atunci următorul pas va fi producerea unei alte măsurători, care ar putea proveni din trei experimente desfășurate în cadrul LHC. „Acesta este singurul accelerator cu o energie suficient de mare pentru a crea bosoni W”, a declarat Harry Cliff din cadrul Universității din Cambridge. Deși LHC este pregătit pentru o nouă rulare a experimentelor în acest an (după ce a fost oprit începând cu anul 2018), Mulders este de părere că datele colectate în cadrul experimentului CMS, desfășurat în timpul rulării anterioare, ar putea produce o nouă măsurare a bosonului W până în anul 2023.
Dacă rezultatul va fi confirmat, acesta s-ar putea alătura altor anomalii inexplicabile, precum cele din cadrul experimentului Muon g-2 și discrepanțelor constatate legate de particulele subatomice numite bottom quarks, obținute în cadrul LHC, care ar putea necesita noi teorii ale fizicii pentru a putea fi explicate. Deși, în prezent, nu există concurenți clari pentru o astfel de teorie, Kotwal este de părere că unele teorii de supersimetrie, care necesită existența unui set complet nou de particule, ar putea explica masa mai mare a bosonilor W.
