Mi charla #NaukasBilbao22: «El bosón que engordó en EEUU»

Por Francisco R. Villatoro, el 16 septiembre, 2022. Categoría(s): Ciencia • Colaboración Naukas.com (antes Amazings.es) • Física • Noticia CPAN • Recomendación • Science ✎ 5

Como todos los años, os presento las transparencias y una transcripción extendida de mi charla en Naukas Bilbao 2022 [video]. Titulada «El bosón que engordó en EEUU», mi idea era contar la nueva medida de CDF II de la masa del bosón W que está a 7 sigmas de la predicción del ajuste del modelo estándar a todos los datos electrodébiles. Como la duración está limitada a 10 minutos debería haberme limitado a explicar qué es el bosón W y su papel en la interacción débil. Sin embargo, se me ocurrió que podría aprovechar para introducir todo el modelo estándar y recordar que hay 118 campos cuánticos (observados hasta ahora). Además, decidí poner el énfasis en el espín, mencionando la supersimetría como explicación a la nueva masa del bosón W, con lo que esta charla podría considerarse una continuación de mi charla sobre el espín de Naukas Bilbao 2017 (LCMF, 18 sep 2017). No sé si he hecho bien, pues parte de la audiencia perderá el hilo… por ello he decorado la charla con obras de arte de la exposición «El cuerpo en pedazos» de «La Colección» permanente del Centre Pompidou Málaga (LCMF, 27 sep 2017). ¡Qué disfrutes de la charla!

El telescopio espacial James Webb (JWST) podría descubrir tecnomarcadores en la atmósfera de un exoplaneta cercano. Para comunicarnos con esa civilización tecnológica habría que definir un marco común, con cosas de tipo “barrio sésamo” como cuál es la diferencia entre izquierda y derecha. Habrá que recurrir a la física, pero toda la física es invariante especular… Salvo la física del bosón W, que solo se acopla a partículas de izquierdas (levógiras). Gracias al experimento de madame Wu con cobalto-60 que se desintegra vía beta en níquel-60 bajo un campo magnético los alienígenas aprenderán qué llamamos izquierda y derecha en nuestro planeta. Este año el bosón W es el gran protagonista de la física de partículas. Se ha medido su masa en EEUU y, para sorpresa de todos, ha engordado.  Y, más aún, su valor está a 7 sigmas de la predicción del modelo estándar. Un resultado que ha merecido ser la portada de la revista Science.

El gran legado de la física del siglo XX ha sido desvelar que todo, todo en el universo, está hecho de espaciotiempo clásico tetradimensional (3+1 dimensiones) y de campos cuánticos con dos estados: un estado de vacío distribuido por todo el espacio y estados de partículas localizadas en pequeñas regiones cuyo tamaño depende de su energía (las partículas son excitaciones del campo que se comportan como ondas cuánticas con una longitud de onda característica dada por su energía-momento que están localizadas en una región con un tamaño en la escala de dicha longitud de onda).

Los campos cuánticos tienen espín; sus partículas lo heredan. Las partículas con espín semientero son fermiones, partículas que ocupan espacio, por ello son llamadas partículas de materia. Dos fermiones no pueden ocupar una región del espacio si tienen la misma energía-momento (por el principio de exclusión de Pauli), salvo si su espín es 1/2, uno sea de izquierdas y otro de derechas. Las partículas con espín entero son bosones. Estas partículas se comportan como si no ocuparan espacio y se pueden acumular en un mismo lugar (condensar). En el modelo estándar las interacciones (fuerzas) entre fermiones son debidas al intercambio de bosones.

Esta ilustración de Raquel GU (García Ulldemolins) nos muestra que en el modelo estándar de la física de partículas hay tres familias de fermiones de espín 1/2, cada una con dos quarks, uno tipo arriba y otro tipo abajo, y dos leptones, uno cargado tipo electrón y otro neutro tipo neutrino. No sabemos por qué hay tres familias, pero hemos observado el electrón, el muón y el tau, y sus tres neutrinos, y los quarks arriba, encanto y cima (top/truth), y abajo, extraño y fondo (bottom/beauty). Además hay cuatro bosones de espín uno: el fotón del electromagnetismo que liga los electrones y los núcleos en los átomos, los gluones que unen a los quarks dentro de los protones y neutrones de los núcleos atómicos, y los bosones débiles W y Z, que median la desintegraciones radioactivas de tipo beta. Finalmente hay un bosón de espín cero, el famoso bosón de Higgs cuyo campo dota de masa a los fermiones.

El modelo estándar es un poquito más complicado. Los quarks tienen carga de color rojo, verde y azul. Además, todos los fermiones tienen antipartículas; así hay tres antiquarks arriba de anticolores celeste (antirrojo), morado (antiverde) y amarillo (antiazul). Y además no hay uno sino ocho gluones con color-anticolor (rojo-antiverde, verde-antirrojo, azul-antirrojo, rojo-antiazul, verde-antiazul, azul-antiverde, y dos combinaciones de rojo-antirrojo, verde-antiverde y azul-antiazul). Y hay dos bosones W, de carga eléctrica opuesta.

Los fermiones son partículas quirales, los de espín 1/2 son de izquierdas (levógiros) y de derechas (dextrógiros). El bosón W solo interacciona con los fermiones de izquierdas, que se agrupan en dobletes (parejas). Los fermiones de derechas son estériles para el bosón W, siendo estados singletes (desparejados). No hemos observado neutrinos de derechas, pero si existieran serían neutrinos estériles.

En el modelo estándar hay 118 campos cuánticos (que se suelen llamar grados de libertad o componentes de campos cuánticos). Hay 36 campos de quarks y 9 campos de leptones. Si un fermión es de izquierdas su antipartícula será de derechas, y viceversa. Así hay otros 45 campos de antifermiones. Como los ocho gluones y el fotón son bosones de espín uno sin masa tienen dos polarizaciones, por lo que suman 18 campos. Los bosones W y Z son bosones de espín uno con masa, luego tienen tres polarizaciones y el bosón de Higgs es de espín cero, con solo una. En total tenemos 28 campos bosónicos y 90 campos fermiónicos que sumados dan los 118 campos cuánticos observados del modelo estándar.

Hemos observado 118 campos cuánticos, pero podría haber más si existieran el gravitón (espín dos sin masa, luego serían dos campos más), los neutrinos de derechas (serían seis campos más), o el axión (espín cero y neutro, que aportaría un campo más). Pero por ahora son campos especulativos no observados en la Naturaleza.

El 7 de abril de 2022 se publicó en la revista Science la última y más precisa medida experimental de la masa del bosón W, obtenida por el experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab, cerca de Chicago (EEUU).

El Tevatrón tenía dos detectores, CDF y Dzero. La nueva medida se ha obtenido con las colisiones protón contra antiprotón a una energía de casi 2 TeV (teraelectrónvoltios) durante los años 2001 y 2011 (por cierto, en el LHC del CERN las colisiones protón contra protón son a casi 14 TeV).

En el Tevatrón se descubrió el quark top (cima) en el año 1995 gracias a estudiar la producción de pares top-antitop y su desintegración posterior en un quark bottom (fondo), que se observa como un chorro hadrónico, y un bosón W, que se desintegra por vía leptónica (observándose un electrón o un muón) o por vía hadrónica (observándose dos chorros hadrónicos asociadas a un quark/antiquark tipo arriba y un antiquark/quark tipo abajo). Por ello los detectores del Tevatrón fueron diseñados para estudiar con mucha precisión las desintegraciones del bosón W. Además, el Tevatrón tiene la ventaja respecto al LHC que tiene un menor fondo de ruido gracias a que su apilado de colisiones es unas diez veces menor.

El detector CDF ha estimado la masa del bosón W gracias a 4.2 millones de sucesos candidatos a desintegración leptónica de un bosón W en un electrón o un muón, junto a sendos neutrinos, que no se observan, y un chorro hadrónico de retroceso, que siempre debe observarse acompañando al leptón cargado.

Unas cuatrocientas personas han trabajo durante más de quince años para desarrollar técnicas de análisis muy ingeniosas y muy novedosas. Para evitar el sesgo de confirmación se ha usado un análisis ciego que oculta la región de interés (donde se encuentra la señal del bosón W), mostrando solo las regiones laterales para ajustar los software de análisis. La región de interés solo se desvela en el último momento. Y el resultado ha sido sorprendente para todos. La masa del bosón W medida es un 0.1 % mayor de lo que predice el ajuste electrodébil del modelo estándar (realizado a partir de todos los datos disponibles de desintegraciones débiles). Más aún, la discrepancia entre ambas estimaciones alcanza 7 sigmas (7 desviaciones típicas es una barbaridad). De hecho, se dice a veces que 5 sigmas es un descubrimiento, pero hay que recordar que solo lo es si dos detectores independientes superan dicho criterio.

La masa del bosón W determina la constante de acoplamiento de la interacción débil, luego su valor afecta a todas las desintegraciones débiles. Si tomamos el nuevo valor como el correcto (algo poco recomendable sin una confirmación independiente), muchas predicciones del mejor ajuste del modelo estándar fallan: por ejemplo, la masa del bosón de Higgs debería ser menor de 47 GeV, cuando su valor es de 125 GeV. Muchos físicos somos escépticos con la nueva medida, pero acallarnos se ha medido la masa del bosón  Z con el mismo método de análisis y su valor está en buen acuerdo con el modelo estándar.

Para explicar una masa del bosón W un 0.1 % mayor de lo esperado hay que recurrir a nueva física. Nuevas partículas que interaccionen con el bosón W, pero que no interaccione con el bosón Z. El bosón W interacciona con los fermiones (quarks y leptones) y con los bosones Z y Higgs.

La masa del bosón W está determinada por correcciones cuánticas de vacío de los campos con los que interacciona. Las contribuciones más relevantes son un lazo hadrónico (un quark/antiquark top y un antiquark/quark tipo bottom) y los lazos escalares con el bosón de Higgs.

Como nueva física se destacó en el artículo en Science la contribución de un lazo supersimétrico. La supersimetría predice que todo fermión tiene un compañero de tipo bosón y viceversa. Los quarks son fermiones de espín 1/2 y sus compañeros supersimétricos, los quarkinos o squarks, son bosones de espín cero, como el Higgs. Un compañero del quark top (llamado stop) con una masa del orden de 1 TeV, al alcance del LHC, podría explicar la nueva masa del bosón W. Pero el LHC hasta ahora apunta en contra de la supersimetría en la escala TeV, aunque aún no la ha descartado por completo.

La explicación más sencillas sería un nuevo campo escalar de tipo Higgs. Como un campo de Higgs de tipo triplete, para no influir en la masa del bosón Z, con tres nuevos bosones de Higgs, dos cargados (H⁺ y H⁻) y uno neutro (H’) con una masa menor de 1 TeV. También al alcance del LHC, los límites de exclusión actuales aún no lo descartan por completo.

Recuerda, una medida a más de cinco sigmas no es un descubrimiento, salvo que sea confirmada por un experimento independiente. En los próximos años se publicarán nuevas medidas de la masa del bosón W por los detectores del LHC (CMS, ATLAS y LHCb). Sus resultados confirmarán o refutarán la nueva medida de CDF. Hasta entonces debemos ser escépticos respecto a la nueva masa del bosón W. Hemos observado 118 campos cuánticos del modelo estándar; podría haber más campos más allá del modelo estándar. Solo explorando la Naturaleza con nuevos colisionadores podremos descubrirlos o descartar su presencia; ambos casos colmarán el ansia de saber de la humanidad.



5 Comentarios

    1. Anónimo, el texto pone «seis … y dos combinaciones de rojo-antirrojo, verde-antiverde y azul-antiazul», como seis y dos son ocho no falta ninguno. Las dos combinaciones que alude el texto son ((rojo-antirrojo) + (azul-antiazul) – 2*(verde-antiverde)]/√(6), y [(rojo-antirrojo) + (azul-antiazul) + (verde-antiverde)]/√(3). Por cierto, si existiera un noveno gluón, lo que implica sustituir SU(3)c por U(3)c, sería un gluón neutro para la carga de color descrito por una tercera combinación similar a las anteriores; dicho hipotético noveno gluón se comportaría como un «nuevo fotón sin masa», algo que está descartado por las observaciones y los experimentos.

  1. Acabo de oir el capitulo 370 de señal y ruido (sí, voy un poco atrasado) y veo que gastón y josé aprovecharon que no participaste en el episodio para comentar que puesto que no hay un único criterio para contar los campos, ellos prefieren considerar un menor número de campos, aunque no se tengan en cuenta todos los grados de libertad. Luego ya vi que en el siguiente episodio 371 explicas tu postura. En cualquier caso a mí también me parece mucho más simple y regular considerar 37 campos, y que los demás sean grados de libertad de los básicos. Los 37 serían:

    The Higgs boson
    3 charged leptons: electron, muon and tau.
    3 neutral leptons: the neutrinos corresponding to electron, muon and tau.
    6 quarks (3 colors each): up, down, charm, strange, bottom and top.
    The photon
    3 electroweak massive bosons: Z and W±
    8 gluons

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