Bósons W e Z

O bóson W e o bóson Z são as partículas mediadoras da interação fraca. Toda interação de um neutrino com a matéria passa por um dos dois.

As massas

Sua propriedade mais chamativa é seu peso:

Um próton pesa pouco menos de um gigaelétron-volt. Essas partículas mediadoras são, portanto, cerca de oitenta a noventa vezes mais pesadas que um próton inteiro — ao passo que o fóton, que transmite a força eletromagnética, não tem massa alguma.

Dessa massa decorre o alcance minúsculo da força fraca e com ele a morosidade de todos os processos com neutrinos.

O que eles provocam

O bóson W altera a identidade. No decaimento beta um quark down no nêutron transforma-se em um quark up e emite ao fazê-lo um W⁻, que decai imediatamente em um elétron e um antineutrino. Tais processos chamam-se correntes carregadas.

O bóson Z nada altera na identidade, mas transmite apenas energia e momento. Um neutrino pode espalhar-se em um núcleo atômico e permanecer neutrino. Essas correntes neutras foram previstas pela teoria eletrofraca, e o Gargamelle as encontrou em 1973.

Em uma corrente neutra baseia-se também o espalhamento coerente em núcleos atômicos, que torna possíveis os pequenos detectores atuais.

A descoberta de 1983

Ambos foram detectados em 1983 no CERN, nos experimentos UA1 e UA2.

O caminho até lá é notável. Para gerar partículas dessa massa era preciso ter colisões de energia até então inalcançada. Carlo Rubbia impôs a reconstrução de um acelerador já existente: em vez de disparar prótons contra um alvo fixo, prótons e antiprótons deveriam correr um contra o outro.

O problema era reunir antiprótons suficientes e concentrá-los em um feixe utilizável. Simon van der Meer desenvolveu para isso o resfriamento estocástico — um método que mede continuamente o movimento das partículas e o amortece por correções dirigidas, até que o feixe esteja estreito o bastante.

Ambos receberam por isso já em 1984 o Prêmio Nobel, uma das concessões mais rápidas da história do prêmio.

Notável é a ordem: Glashow, Salam e Weinberg haviam recebido o prêmio já em 1979 pela teoria, ou seja, antes de suas partículas terem sido encontradas. O achado do Gargamelle bastara para convencer o meio especializado.

O número de espécies de neutrinos

O bóson Z forneceu à física de neutrinos um de seus números mais importantes.

Um bóson Z pode decair em diferentes pares de partículas, entre eles em um neutrino e sua antipartícula. Tais decaimentos não são vistos — mas eles encurtam o tempo de vida do Z e alargam com isso sua curva de ressonância.

Da largura medida pode-se portanto ler em quantos canais invisíveis ele pode decair. As medições no Large Electron-Positron Collider, das quais participou entre outros Jack Steinberger, resultaram a partir de 1989 em um valor claro: três espécies leves de neutrinos.

Esse é um exemplo modelar de medição indireta. Conta-se algo que não se vê, medindo o quão depressa outra coisa decai.

Essa medição não exclui neutrinos estéreis, pois estes por definição não se acoplariam ao Z. Para todos os neutrinos comuns, porém, o número está com isso fixado — e a matriz PMNS tem exatamente três linhas e três colunas porque essa medição assim o exige.

Um número que causou inquietação

Em 2022 a colaboração CDF no Fermilab apresentou uma medição muito precisa da massa do W — e o valor ficou nitidamente acima da previsão do Modelo Padrão, bem fora das incertezas indicadas.

Isso teria sido uma fissura no edifício, pois a massa do W está ligada pela teoria a outras grandezas medidas e não é, portanto, de livre escolha.

Medições posteriores no CERN chegaram, no entanto, a valores compatíveis com o Modelo Padrão. O desvio é hoje considerado predominantemente um efeito de análise de um único experimento.

O caso é instrutivo: uma única medição muito precisa não basta, enquanto não for confirmada de modo independente — nem mesmo quando sua significância estatística impressiona.

Termos relacionados

• Interação fraca
• Gargamelle — as correntes neutras
• Jack Steinberger — o número de famílias
• Modelo Padrão

Fontes

• Colaboração 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).