Após uma medição inesperada feita pelo experimento Collider Detector no Fermilab (CDF) em 2022, físicos no experimento Compact Muon Solenoid (CMS) no Large Hadron Collider (LHC) anunciaram nesta segunda-feira (23) uma nova medição de massa do bóson W, uma das partículas portadoras de força da natureza.

Esta nova medição, que é a primeira do experimento do CMS, usa uma nova técnica que a torna a investigação mais elaborada da massa do bóson W até o momento. Após quase uma década de análise, o CMS descobriu que a massa do bóson W é consistente com as previsões, finalmente colocando um mistério de vários anos para descansar.

A análise final usou 300 milhões de eventos coletados da corrida de 2016 do LHC e 4 bilhões de eventos simulados. A partir desse conjunto de dados, a equipe reconstruiu e então mediu a massa de mais de 100 milhões de bósons W.

Eles descobriram que a massa do bóson W é de 80.360,2 ± 9,9 megaelétrons-volts (MeV), o que é consistente com as previsões do Modelo Padrão de 80.357 ± 6 MeV. Eles também executaram uma análise separada que verifica as suposições teóricas.

"O novo resultado do CMS é único devido à sua precisão e à maneira como determinamos as incertezas", disse Patty McBride, cientista renomada do Laboratório Nacional de Pesquisa Fermi do Departamento de Energia dos EUA e ex-porta-voz do CMS.

"Aprendemos muito com o CDF e outros experimentos que trabalharam na questão da massa do bóson W. Estamos sobre os ombros deles, e esta é uma das razões pelas quais conseguimos levar este estudo um grande passo à frente."

Desde que o bóson W foi descoberto em 1983, físicos mediram sua massa em 10 experimentos diferentes.

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.

"O universo inteiro é um ato de equilíbrio delicado", disse Anadi Canepa, porta-voz adjunto do experimento CMS e cientista sênior do Fermilab. "Se a massa W for diferente do que esperamos, pode haver novas partículas ou forças em jogo."

A nova medição do CMS tem uma precisão de 0,01%. Esse nível de precisão corresponde à medição de um lápis de 4 polegadas de comprimento entre 3,9996 e 4,0004 polegadas. Mas, diferentemente dos lápis, o bóson W é uma partícula fundamental sem volume físico e uma massa menor que um único átomo de prata.

"Essa medição é extremamente difícil de fazer", Canepa acrescentou. "Precisamos de múltiplas medições de múltiplos experimentos para verificar o valor."

O experimento CMS é diferente dos outros experimentos que fizeram essa medição devido ao seu design compacto, sensores especializados para partículas fundamentais chamadas múons e um ímã solenóide extremamente forte que curva as trajetórias de partículas carregadas à medida que elas se movem pelo detector.

"O design do CMS o torna particularmente adequado para medições de massa de precisão", disse McBride. "É um experimento de próxima geração."

Como a maioria das partículas fundamentais tem vida incrivelmente curta, os cientistas medem suas massas somando as massas e os momentos de tudo em que elas decaem. Esse método funciona bem para partículas como o bóson Z, um primo do bóson W, que decai em dois múons. Mas o bóson W representa um grande desafio porque um de seus produtos de decaimento é uma minúscula partícula fundamental chamada neutrino.

"Neutrinos são notoriamente difíceis de medir", disse Josh Bendavid, um cientista do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que trabalhou nessa análise. "Em experimentos de colisores, o neutrino não é detectado, então só podemos trabalhar com metade da imagem."

Trabalhar com apenas metade da imagem significa que os físicos precisam ser criativos. Antes de executar a análise em dados experimentais reais, os cientistas primeiro simularam bilhões de colisões do LHC.

"Em alguns casos, tivemos até que modelar pequenas deformações no detector", disse Bendavid. "A precisão é alta o suficiente para que nos importemos com pequenas torções e dobras; mesmo que sejam tão pequenas quanto a largura de um fio de cabelo humano."

Os físicos também precisam de inúmeras informações teóricas, como o que acontece dentro dos prótons quando eles colidem, como o bóson W é produzido e como ele se move antes de decair.

"É uma verdadeira arte descobrir o impacto das contribuições teóricas", disse McBride.

No passado, os físicos usavam o bóson Z como um substituto para o bóson W ao calibrar seus modelos teóricos. Embora esse método tenha muitas vantagens, ele também adiciona uma camada de incerteza ao processo.

"Os bósons Z e W são irmãos, mas não gêmeos", disse Elisabetta Manca, pesquisadora da Universidade da Califórnia em Los Angeles e uma das analisadoras. "Os físicos precisam fazer algumas suposições ao extrapolar do Z para o W, e essas suposições ainda estão em discussão."

Para reduzir essa incerteza, os pesquisadores do CMS desenvolveram uma nova técnica de análise que usa apenas dados reais do bóson W para restringir as entradas teóricas.

Como parte dessa análise, eles também examinaram 100 milhões de rastros de decaimentos de partículas bem conhecidas para recalibrar uma seção massiva do detector CMS até que ele se tornasse uma ordem de magnitude mais preciso.

"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 parte mais desafiadora da análise foi o tempo que ela consumiu, pois exigiu a criação de uma nova técnica de análise e o desenvolvimento de uma compreensão incrivelmente profunda do detector CMS.

"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."