Apesar de encerrar suas operações em 2011, dados de um antigo experimento no Collider Detector do Fermilab (CDF) levaram os cientistas a repensar ainda mais o Modelo Padrão. O CDF voltou a medir o massa da partícula “bóson W” e descobriu que pesa mais do que o Modelo Padrão sugere. A nova medição é a medição mais precisa já feita da massa do bóson W.
O modelo padrão
o resultados do experimento de uma década do CDF para medir a massa do bóson W descobriu que a massa do bóson W era ligeiramente maior do que o esperado. Essa pequena discrepância animado o mundo dos físicos de partículas. A nova medição sugere que o Modelo Padrão está incompleto.
Fonte: WikiCommons
O Modelo Padrão é o melhor paradigma para explicar as leis básicas que governam o universo e suas três forças fundamentais. Existem quatro forças fundamentais: forças nucleares fortes e fracas, eletromagnetismo e gravidade. A força forte mantém os núcleos juntos, embora alguns núcleos decaiam radioativamente porque são instáveis, fazendo com que liberem energia lentamente através da emissão de partículas. Este processo ocorre devido a forças fracas. Desde o início de 1900, a compreensão desse processo de decadência tem sido um grande tópico dentro da comunidade.
Os Bósons
Essas forças têm partículas associadas a elas, que as “carregam” ou as transmitem. Por exemplo, um fóton, uma partícula de luz, carrega força eletromagnética como a prata. Avanços na década de 1960 propuseram que partículas conhecidas como bósons W e Z carregavam a força fraca e eram formadas por meio de processos radioativos. O bóson de Higgs foi postulado para dar a todas as partículas sua massa.
Pesquisa até o experimento do CDF
A partir da década de 1960, os cientistas procuraram provar a existência de uma série de partículas e medir suas propriedades. Em 1983, cientistas que trabalhavam na A Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) descobriu primeiras provas para a existência do bóson W. Essa evidência propunha uma massa igual à do bromo ou de outros átomos de tamanho médio.
Nos anos 2000, a comunidade ficou com apenas uma grande partícula: o bóson de Higgs. Com ele, o Modelo Padrão estaria completo. Em 2012, experimentos no Grande Colisor de Hádrons do CERN levaram à descoberta do bóson de Higgs. Neste momento, os cientistas estavam confiantes de que o Modelo Padrão havia sido concluído.
Medindo a massa do bóson W
Para testar o Modelo Padrão, os físicos aceleram partículas em altas energias e as fazem colidir umas com as outras. As colisões produzem partículas mais pesadas do que as partículas iniciais, mas essas partículas mais pesadas decaem rapidamente em partículas mais leves.
Assim, o CDF fez com que trilhões de prótons e antiprótons colidissem uns com os outros em altas energias, a fim de criar bósons W, a uma taxa de um por 10 milhões de colisões. Os antiprótons têm a mesma massa que os prótons, mas a carga oposta. Os prótons são feitos de quarks e antiprótons de antiquarks. A colisão de quarks e antiquarks cria bósons W.
Os bósons decaem instantaneamente, então medi-los diretamente é impossível. Em vez disso, os cientistas medem a energia liberada de seu decaimento, a fim de determinar a massa dos bósons W.
Os bósons produzem neutrinos, que são indetectáveis para um colisor. Para obter quaisquer dados sobre um neutrino e, portanto, medir a massa W, os cientistas devem assumir que o neutrino deve equilibrar todas as outras coisas produzidas durante a colisão.
Experimentos nos últimos 40 anos nos aproximaram cada vez mais de medidas mais precisas da massa de um bóson W. No entanto, foi preciso medir a massa do bóson de Higgs para que os cientistas pudessem comparar a massa medida do bóson W com aquela previsto no Modelo Padrão.
Isso nos leva ao reino da incerteza. Com tanta incerteza presente, o risco de grandes erros aumenta. A incerteza surge da distribuição de partículas com um próton, partículas de fundo e a precisão e geometria do próprio CDF. Não só isso, mas também há o risco de erro humano. De fato, as novas medições diferem das medições mais antigas feitas pelo CDF.
Mais pesado do que o esperado
O detector do CDF é extremamente preciso. Na década em que realizou esse experimento, choveu trilhões de colisões, coletando enormes quantidades de dados no processo. Os resultados iniciais, com base em uma amostra dos dados, estavam em linha com os resultados previstos. A partir de 2012, a equipe analisou os dados na íntegra, cruzando-os e realizando inúmeras simulações. Os resultados finais foram surpreendentes. A massa do bóson W saiu em 80.433 milhões de elétron-volts (MeV), 70MeV maior do que o previsto pelo Modelo Padrão. Dado que a precisão da medição está dentro de 9 MeV, isso significa que os novos resultados são oito vezes maiores que a margem de erro.
Os cientistas são deixados para lutar com três possibilidades: apesar de seus esforços, eles simplesmente mediram errado, ou fizeram sua matemática errada, ou o Modelo Padrão ainda está incompleto.
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