El equipo científico de la colaboración CDF (siglas en inglés del Detector Colisionador de Fermilab), en el que participa el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, CSIC-UC), ha logrado la medida más precisa hasta la fecha de la masa del bosón W, partícula mensajera de una de las fuerzas que gobiernan nuestro universo.

La nueva medición, publicada en la revista Science, ha sido realizada en el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN, y permite a la comunidad científica poner a prueba el Modelo Estándar de la física de partículas, la teoría que describe la naturaleza en su nivel más fundamental, ya que el resultado obtenido discrepa con lo que se esperaba.

"El número de mejoras que se han introducido en la medición es enorme, cuando finalmente desvelamos el resultado, comprobamos que difería de la predicción del Modelo Estándar", afirma el director de la investigación, Ashutosh V. Kotwal, de la Universidad de Duke en Estados Unidos.

"Ha sido una sorpresa, hasta ahora todas las predicciones y medidas que daba el modelo estándar eran compatibles, sin embargo conocemos que el modelo solo explica un 5% del universo, y que no puede ser una teoría ultima", explica Alberto Ruiz, investigador del IFCA.

"Sabíamos que el modelo podía fallar y esto, si se verifica por otro experimento, como el Atlas del LHC, es un ejemplo claro de que el Modelo Estándar falla", sostiene Ruiz.

Esta nueva masa del bosón W resulta clave en la búsqueda de nueva física, ya que esta discrepancia del valor medido respecto al predicho podría revelar nuevos fenómenos distintos a los que indica el modelo. "Ahora le corresponde a la comunidad de física teórica y a otros experimentos hacer un seguimiento y arrojar luz sobre este misterio", afirma el subdirector de Fermilab, Joe Lykken.

En física de partículas, se clasifican las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza en: la electromagnética, gravitatoria, la nuclear fuerte, causante por ejemplo de la energía nuclear, y la nuclear débil, responsable de los procesos que hacen, por ejemplo, que el Sol brille o de la radioactividad. La partícula asociada a esto último es el bosón W, una de las partículas más pesadas que se conocen.

Utilizando las colisiones de partículas de alta energía producidas por el colisionador Tevatron de Fermilab, en Chicago, la colaboración CDF ha recopilado, desde 1985 hasta 2011, enormes cantidades de datos de bosones W. Ahora, tras 10 años de análisis, esta nueva medida de la masa del bosón W muestra una discrepancia con el valor esperado, y cierta tensión con el último obtenido hasta la fecha, hace 4 años.

Un total de ocho investigadores pertenecientes o asociados al Instituto de Física de Cantabria, Rocío Vilar, Alberto Ruiz, Jesús Vizán, Luca Scodellaro, Gervasio Gómez, Bruno Casal, Enrique Palencia y Javier Cuevas, firman este nuevo estudio en el que han colaborado de forma indirecta desde hace varios años.

"Desde el IFCA hemos participado desde el montaje experimental del CDF, por ejemplo, con la creación de un detector de tiempo de vuelo, hasta el desarrollo de algoritmos de cálculo, la identificación de partículas y, hemos colaborado en muchos casos de análisis que han llevado a tesis basadas en descubrimientos importantes como la oscilación materia-antimateria o la producción del quark top, y en estudios de búsqueda del bosón de Higgs", recuerda Ruiz.

Por su parte, los investigadores de CDF llevan más de 30 años trabajando para conseguir mediciones más precisas de la masa del bosón W, cuyo descubrimiento culminó con el Premio Nobel de Física de 1984. Medir su masa con precisión era un gran reto, pero también una oportunidad para probar la unificación de la fuerza nuclear débil y la electromagnética en el modelo estándar. A partir de ahora serán necesarias mediciones futuras para arrojar más luz sobre el resultado, y, de confirmarse, implicaría la necesidad de ampliarlo con modelos de nueva física.

4 millones de candidatos a bosón W

La masa de un bosón W es unas 80 veces la masa de un protón, por eso se sabe que es una de las partículas más pesadas del universo. El valor de la última medida de su masa, obtenido en el colisionador Tevatron de Fermilab, es de 80.433 +/- 9 MeV/c2, y se ha conseguido tras observar 4,2 millones de candidatos a bosón W, aproximadamente cuatro veces más que el número utilizado en el análisis que se publicó en 2012.

Este valor se basa en complejos cálculos del Modelo Estándar que vinculan la masa del bosón W con las mediciones de las masas de otras dos partículas: el quark top, descubierto en el colisionador Tevatron de Fermilab en 1995, y el bosón de Higgs, descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en 2012.

FERMILAB

Fermilab es el principal laboratorio nacional de EE.UU. para la investigación en física de partículas y aceleradores. En su colaboración trabajan más de 400 investigadores e investigadoras de 54 institutos repartidos en 23 países. El laboratorio pertenece a la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos y está situado cerca de Chicago, Illinois.