Embora o resultado seja diferente do que eles esperavam, também é exatamente o que eles achavam que deveria ser
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Embora o resultado seja diferente do que eles esperavam, também é exatamente o que eles achavam que deveria ser
Principais conclusões
- Físicos, incluindo pesquisadores da UCLA, mediram com precisão a massa do bóson W — mais precisamente do que uma tentativa anterior de medição de massa — e descobriram que ela é consistente com as previsões do Modelo Padrão de 80.357 ± 6 MeV.
- Os resultados foram obtidos pelo experimento Compact Muon Solenoid no Grande Colisor de Hádrons do CERN; partes do detector CMS foram construídas na UCLA desde a década de 1990.
- Esse novo nível de precisão permitirá que os cientistas realizem medições críticas, como aquelas envolvendo o bóson W, Z e Higgs, com maior precisão.
Cientistas acabaram de medir a massa do bóson W. É diferente do que eles esperavam – mas também exatamente o que eles sempre pensaram que deveria ser.
Com base nas teorias da física de partículas, há quatro forças no universo: gravidade, eletromagnetismo, força fraca e força forte. Bósons mediam essas forças. O bóson W é um dos pilares do Modelo Padrão, a estrutura teórica que descreve a natureza em seu nível mais fundamental.
Uma compreensão precisa da massa do bóson W permite que os cientistas mapeiem a interação de partículas e forças, incluindo a força do campo de Higgs e a fusão do eletromagnetismo com a força fraca, que é responsável pela decadência radioativa. Quaisquer mudanças na massa do bóson W significariam que deve existir física não descoberta próxima às energias que os cientistas já podem sondar.
Uma tentativa anterior de medir a massa descobriu que ela era extremamente diferente da teoria, o que acendeu um fogo no mundo da física para descobrir que tipo de nova física estava acontecendo. Isso pode ter sido tudo uma tempestade em um copo d’água.
Em um incrível feito de precisão, os físicos agora mediram com precisão a massa do bóson W e descobriram que ela é diferente da medição precisa anterior. Eles descobriram que a massa do bóson W é 80360,2 ± 9,9 megaelétron-volts, ou MeV, o que é consistente com as previsões do Modelo Padrão de 80 357 ± 6 MeV. Outra maneira de dizer isso é que a massa do bóson W é 80 gigaelétron-volts ou 1,42e-25 quilogramas.
A massa de partículas fundamentais é medida em elétron-volts porque, a partir do E=mc^2 de Einstein, os cientistas sabem que massa e energia estão relacionadas à velocidade da luz. Um elétron-volt é a energia de um elétron acelerado por uma voltagem de 1V.
“Todos esperavam que o medissemos longe da teoria, acendendo esperanças para uma nova física”, disse Michalis Bachtis, um professor associado de física da UCLA cujo grupo de pesquisa desempenhou um papel fundamental no experimento. “Ao confirmar que a massa do bóson W é consistente com a teoria, temos que procurar por uma nova física em outro lugar, talvez estudando o bóson de Higgs com alta precisão também.”
Os novos resultados foram obtidos pelo experimento Compact Muon Solenoid, ou CMS, no Large Hadron Collider do CERN. Os instrumentos para este experimento têm um design compacto exclusivo, sensores especializados para múons e um ímã solenóide extremamente forte que curva as trajetórias de partículas carregadas conforme elas se movem através do detector. Partes importantes do detector CMS foram construídas no campus da UCLA desde a década de 1990.
“Basicamente, usamos uma balança de 14.000 toneladas para medir o peso de uma partícula que tem massa de 1×10^-25 kg, ou cerca de 80 vezes a massa de um próton”, disse Bachtis, que também esteve envolvido na descoberta do bóson de Higgs.
Como a maioria das partículas fundamentais tem vida incrivelmente curta, os cientistas medem suas massas somando as massas de tudo em que elas decaem em uma versão subatômica do brinquedo de mesa Newton’s Cradle. Esse método funciona bem para partículas como o bóson Z, um primo do bóson W, que decai em dois múons, que são relativamente fáceis de medir. Mas o bóson W representa um grande desafio porque um de seus produtos de decaimento é uma minúscula partícula fundamental chamada neutrino, que é notoriamente difícil de medir.
Essa medição específica foi considerada impossível no LHC devido à necessidade de calibrar a energia dos múons, que são irmãos mais pesados dos elétrons, com apenas uma margem de erro de 0,01%, considerada impossível antes em um dispositivo tão complexo. Bachtis e a pesquisadora de pós-doutorado Elisabetta Manca têm trabalhado para atingir esse nível extremamente fino de detalhes nos últimos oito anos.
“Comecei esta pesquisa como estudante de verão, e agora estou no meu terceiro ano como pós-doutorado”, disse Manca. “É uma maratona, não uma corrida de velocidade.”
“Esse novo nível de precisão nos permitirá realizar medições críticas, como aquelas envolvendo os bósons W, Z e Higgs, com maior precisão”, disse Manca.
A pesquisa teve que superar alguns desafios inesperados.
“Descobrimos que o campo magnético do experimento mudou significativamente quando o detector foi abaixado na caverna 100 metros abaixo do solo em comparação à superfície”, disse Bachtis. “Isso foi insignificante para a maioria das medições, mas não para a massa do bóson W. Essas pequenas variações importam. Nossa análise também teve que corrigir a deformação do detector por sua própria gravidade.”
Com a nova medição do bóson W, os cientistas acreditam que a física não descoberta pode se esconder em lugares diferentes. Agora é hora de arregaçar as mangas e continuar explorando.
“Agora precisamos explorar o potencial máximo do nosso experimento atual, mas também começar a projetar o próximo grande experimento para poder atingir direta ou indiretamente energias mais altas para fazer novas descobertas físicas”, disse Bachtis.