LHC mede massa do bóson W e acalma a Física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/09/2024

Evento de colisão para um bóson W decaindo em um múon (linha vermelha) e um neutrino teórico, já que o detector não consegue medi-lo (seta rosa).
[Imagem: CMS/CERN]

Massa do bóson W

O experimento CMS (Compact Muon Solenoid), um dos quatro grandes detectores do LHC (Large Hadron Colider), fez uma nova medição da massa do bóson W, uma partícula elementar que, junto com o bóson Z, medeia a força fraca, responsável por uma forma de radioatividade e por dar início à reação de fusão nuclear que alimenta o Sol e demais estrelas.

No Modelo Padrão da física, a massa W está intimamente relacionada à força da interação que unifica a força eletromagnética e a força fraca e às massas do bóson de Higgs e do quark top. Fazendo as contas pela teoria, os resultados restringem seu valor a 80.353 milhões de elétrons-volt (MeV), dentro de uma incerteza de 6 MeV.

Assim, medir experimentalmente a massa do bóson W com alta precisão torna possível testar se essas propriedades se alinham ou não de uma forma que seja consistente com o Modelo Padrão - caso não se alinhem, isto pode apontar para novos fenômenos físicos, como novas partículas ou interações, ou mesmo uma "nova física".

Susto na teoria

Desde sua descoberta, há cerca de 40 anos, o bóson W teve sua massa medida cada vez mais precisamente por vários experimentos de colisores.

Em 2022, um valor surpreendentemente alto de sua massa medida pelo experimento CDF (detector do Fermilab, nos EUA), a mais precisa feita até então, mergulhou a partícula em uma "crise de meia-idade". A massa do bóson W do CDF, de 80433,5 MeV com uma incerteza de 9,4 MeV, diferiu significativamente da previsão do Modelo Padrão e de outros resultados experimentais, exigindo mais estudos - veja Medição da massa do bóson W contesta previsões da física.

Em 2023, o detector ATLAS, outro dos quatro grandes do LHC, melhorou suas próprias medições com base em uma reanálise de dados de colisões próton-próton da primeira rodada do LHC. Este resultado melhorado, de 80366,5 MeV com uma incerteza de 15,9 MeV, alinhou-se novamente a todas as medições anteriores, exceto com a medição do CDF, que continua sendo a mais precisa até o momento, com uma margem de erro de apenas 0,01%.

Medições da massa do bóson W relatadas ao longo dos anos por experimentos no mundo todo. A medição do CMS relatada agora (última linha) é a mais precisa feita no LHC, mas com uma margem de erro ainda maior que a da medição do CDF.
[Imagem: CMS/CERN]

Reforço para a teoria atual

Foi por essas discrepâncias que a equipe do CMS resolveu entrar no jogo, fazendo sua primeira medição da massa do bóson W. O resultado, de 80360,2 com uma incerteza de 9,9 MeV, tem uma precisão que se aproxima daquela da medição do CDF e, surpreendentemente, está em linha com todas as medições anteriores, exceto com o resultado do próprio CDF.

"As medições da massa W são muito desafiadoras, envolvendo medições delicadas e modelagem teórica da produção do bóson W e seu decaimento em um lépton (aqui, um múon) e um neutrino, que escapa à detecção," disse Gautier Monchenault, porta-voz do CMS. "Ao explorar a capacidade do detector do CMS de medir múons com alta precisão e usar os ingredientes teóricos mais recentes e avançados, alguns dos quais foram testados por uma análise de verificação cruzada, atingimos esse nível recorde de precisão."

A bola agora volta ao CDF, que precisará checar seus resultados e, eventualmente, fazer uma nova medição.