Bosones W y Z

El bosón W y el bosón Z son las partículas mediadoras de la interacción débil. Toda interacción de un neutrino con la materia transcurre a través de uno de los dos.

Las masas

Su propiedad más llamativa es su peso:

Un protón pesa poco menos de un gigaelectronvoltio. Estas partículas mediadoras son, pues, unas ochenta a noventa veces más pesadas que un protón entero — mientras que el fotón, que transmite la fuerza electromagnética, no tiene masa alguna.

De esta masa se sigue el alcance diminuto de la fuerza débil y con ello la torpeza de todos los procesos con neutrinos.

Qué producen

El bosón W cambia la identidad. En la desintegración beta, un quark down del neutrón se transforma en un quark up y emite al hacerlo un W⁻, que se desintegra de inmediato en un electrón y un antineutrino. Tales procesos se llaman corrientes cargadas.

El bosón Z no cambia nada de la identidad, sino que solo transfiere energía e impulso. Un neutrino puede dispersarse en un núcleo atómico y seguir siendo neutrino. Estas corrientes neutras las predijo la teoría electrodébil, y Gargamelle las encontró en 1973.

En una corriente neutra se basa también la dispersión coherente en núcleos atómicos, que hace posibles los pequeños detectores actuales.

El descubrimiento de 1983

Ambos fueron detectados en 1983 en el CERN, en los experimentos UA1 y UA2.

El camino hasta allí es notable. Para generar partículas de esta masa hacían falta colisiones de una energía hasta entonces inalcanzada. Carlo Rubbia logró imponer la reconversión de un acelerador existente: en lugar de disparar protones contra un blanco fijo, protones y antiprotones debían correr unos contra otros.

El problema era reunir suficientes antiprotones y agruparlos en un haz utilizable. Simon van der Meer desarrolló para ello el enfriamiento estocástico — un procedimiento que mide continuamente el movimiento de las partículas y lo amortigua mediante correcciones dirigidas, hasta que el haz es lo bastante estrecho.

Ambos recibieron por ello ya en 1984 el premio Nobel, una de las concesiones más rápidas de la historia del premio.

Notable es el orden: Glashow, Salam y Weinberg habían recibido el premio ya en 1979 por la teoría, es decir, antes de que sus partículas fueran encontradas. El hallazgo de Gargamelle había bastado para convencer al mundo especializado.

El número de especies de neutrinos

El bosón Z ha proporcionado a la física de neutrinos una de sus cifras más importantes.

Un bosón Z puede desintegrarse en distintos pares de partículas, entre ellos en un neutrino y su antipartícula. Tales desintegraciones no se ven — pero acortan el tiempo de vida del Z y ensanchan con ello su curva de resonancia.

De la anchura medida puede leerse, pues, en cuántos canales invisibles puede desintegrarse. Las mediciones en el Large Electron-Positron Collider, en las que participó entre otros Jack Steinberger, dieron a partir de 1989 un valor claro: tres especies ligeras de neutrinos.

Este es un ejemplo modélico de medición indirecta. Se cuenta algo que no se ve midiendo con qué rapidez se desintegra otra cosa.

Esta medición no excluye los neutrinos estériles, pues estos, por definición, no se acoplarían al Z. Para todos los neutrinos ordinarios, en cambio, el número queda con ello fijado — y la matriz PMNS tiene exactamente tres filas y tres columnas porque esta medición así lo exige.

Una cifra que causó inquietud

En 2022 la colaboración CDF en el Fermilab presentó una medición muy precisa de la masa del W — y el valor quedaba claramente por encima de la predicción del modelo estándar, muy fuera de las incertidumbres indicadas.

Eso habría sido una grieta en el edificio, pues la masa del W está relacionada a través de la teoría con otras magnitudes medidas y no es, por tanto, libremente elegible.

Mediciones posteriores en el CERN llegaron, sin embargo, a valores compatibles con el modelo estándar. La desviación se considera hoy mayoritariamente un efecto de análisis de un único experimento.

El episodio es instructivo: una única medición muy precisa no basta mientras no esté confirmada de manera independiente — tampoco cuando su significación estadística impresiona.

Términos relacionados

• Interacción débil
• Gargamelle — las corrientes neutras
• Jack Steinberger — el número de familias
• Modelo estándar

Fuentes

• Colaboración UA1: Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy, Physics Letters B 122, 103 (1983).
• ALEPH, DELPHI, L3, OPAL: Precision electroweak measurements on the Z resonance, Physics Reports 427, 257 (2006).