Modelo Padrão da Física

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Modelo de física de questões de partículas pesadas
Todo o material conhecido no universo – de galáxias remotas aos aminoácidos em seu corpo – é descrito pelo
modelo padrão. A Bíblia da física explica as partículas de que os átomos são feitos e as forças que as controlam.
O modelo padrão é a teoria científica mais bem-sucedida do mundo, e nos permitiu desenvolver todos os nossos
eletrônicos modernos, etc. No entanto, a teoria envolve falhas graves. Por exemplo, não explica a gravidade.
Assim, os físicos estão constantemente tentando melhorá-lo, e há 10 anos, um grande projeto foi iniciado: pesando o
bóson W, ou seja, uma partícula de troca de força que está em jogo em conexão com a radioatividade. Quando o
resultado foi publicado em 2022, os físicos abriram os olhos.
Ao contrário de todas as expectativas, os dados altamente precisos demonstraram que o bóson W é muito mais
pesado do que o previsto pelo modelo padrão.
0.09 % is how much the new W boson mass data deviates from the standard model prediction.
É a primeira vez que a teoria altamente respeitada é contrariada por um experimento, mas, surpreendentemente,
muitos físicos estão entusiasmados.
Durante anos, eles têm procurado uma teoria melhor para explicar a gravidade e a matéria escura.
A gravidade não tem uma partícula
Desde a década de 1930, milhares de experimentos revelaram que tudo no universo é composto de alguns blocos
de construção conhecidos como partículas elementares e controlados por quatro forças fundamentais da natureza.
A melhor descrição de como os blocos de construção e as forças da natureza cooperam é oferecida pelo modelo
padrão, que foi desenvolvido na década de 1970 e desde então foi confirmada e elaborada por um experimento após
o outro.
De acordo com o modelo padrão, as forças da natureza são mediadas pela força de troca de partículas, mas
descreve apenas a força de troca de partículas atrás de três das forças da natureza: a força eletromagnética e as
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forças nucleares fortes e fracas.
A gravidade ainda não tem uma partícula de troca de força.
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The standard model describes tiny constituents
The standard model is physicists’ ABC. According to the theory, all matter is made up of 6 different quarks, 3 types of
electrons, and 3 kinds of neutrinos. They are known as matter particles. 3 forces of nature – the electromagnetic
force and the strong and weak nuclear forces – work between matter particles by means of force exchange particles.
The Higgs boson provides all the particles with mass.
No início dos anos 1900, Albert Einstein e Max Planck descobriram que a partícula de luz media a força
eletromagnética.
Por isso, causou muito entusiasmo, quando os físicos do instituto de pesquisa nuclear europeu do CERN em 1983
provaram que outra força da natureza, a força nuclear fraca, também é mediada por partículas: o bóson W e seu
gêmeo, o bóson Z, que causam decaimento radioativo no núcleo atômico. Assim, ficou claro que duas das quatro
forças da natureza foram mediadas por partículas de força, que os físicos também chamam de quantums.
Desde então, os cientistas documentaram que a forte força nuclear, que mantém o núcleo atômico unido, também
funciona por meio de partículas de troca de força.
Em 2012, o modelo padrão foi concluído, quando os físicos do CERN descobriram o bóson de Higgs, teoricamente
previsto, que fornece todos os blocos de construção atômico e partículas de troca de força com sua massa. Mas
agora, os novos dados sobre a massa do bóson do W ameaçam derrubar todo o modelo.
Particles mediate forces of nature
https://cds.cern.ch/record/2103277/files/9789814644150_0006.pdf
https://home.cern/science/physics/higgs-boson
https://home.cern/science/physics/higgs-boson
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Atoms are controlled by 3 forces of nature via particles. The standard model describes the electromagnetic force that
we experience as light etc., the strong nuclear force, which holds atomic nuclei together, and the weak nuclear force,
that is behind radioactivity.
© Shutterstock & BiM
Light particles drive electromagnetism
Electromagnetism such as light propagates from atom to atom by means of light particles. When an atom is struck by
a light particle, it knocks an electron into a higher energy state. When the electron slips back, a new light particle is
emitted.
© Shutterstock & BiM
Gluons glue atomic nuclei
The atomic nucleus’ neutrons (left) and protons consist of quarks. The strong nuclear force bind them together by
means of force exchange particles: gluons (yellow). The force is extreme, and nuclear power works by splitting the
atomic nucleus, releasing energy.
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© Shutterstock & BiM
W and Z trigger the weak nuclear force
Radioactive substances are unstable, as they have too many neutrons in the atomic nucleus compared to the number
of protons. To restore stability, they convert a neutron into a proton by means of W and Z bosons, emitting an
electron.
Mas agora, os novos dados sobre a massa do bóson do W ameaçam derrubar todo o modelo.
O W bóson é 0,9% muito pesado
Em abril de 2022, físicos do agora abandonado acelerador Tevatron nos EUA publicaram a sua pesagem de 4
milhões de bósons W.
O resultado são os dados mais precisos sobre a massa do bóson do W, que os cientistas indicam ser de 80,43335
bilhões de elétron-volt (GeV) correspondentes à massa de 85 prótons.
Although this is only 0.09 % more than the standard model’s prediction, it is a major deviation. The standard model’s
margin of uncertainty is only 0.01 %.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
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Collisions between protons and antiprotons in the Tevatron accelerator produced 4 million W bosons, which physicist
have used to measure the force exchange particle’s mass.
© Fermilab Handout/EPA/Ritzau Scanpix
There are only two possible explanations of the deviation. Either the data involves a systematic error, that nobody has
identified yet, or the universe includes unknown particles or forces of nature that influence the W boson’s mass,
making it heavier than expected.
Particles have hidden twins
All atomic building blocks and force exchange particles get their mass from the Higgs boson. W bosons bind strongly
to the Higgs boson, becoming heavier, whereas electrons, etc., bind more weakly and are hence lighter.
The standard model only operates with one Higgs boson, but a theory exists, according to which several Higgs
bosons exist, i.e. the theory of supersymmetry.
If unknown Higgs bosons bind to the W boson, this could explain that it is heavier than predicted by the standard
model.
Perhaps the W particle has a secret twin that can explain the mysterious dark matter of the universe.
According to the theory, all particles have an undiscovered and heavier twin particle. Matter particles have a force
exchange particle as their twin, and force exchange particles such as the W boson have a matter particle.
The theory of supersymmetry involves two revolutionising prospects. Unlike the standard model, it can describe
gravity via quantum mechanics, i.e. by means of force exchange particles. According to the theory, gravity is
mediated via hypothetical particles known as gravitons.
Secondly, it could be the undiscovered heavy twins that make up the universe’s mysterious dark matter.
https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/supersymmetry
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That would solve one of the major physics mysteries, as dark matter is just another word for the fact that physicists
cannot account for 85 % of the matter of the galaxies.
If the W boson’s weight is due to supersymmetry, the new data will allow us to predict the heavy twin particles’ mass
very accurately. So, the theory can be tested in experiments.
Finding unknown particles in a particle accelerator is like looking for a needle in a haystack, but if physicists know
what to look for, it will be much easier.
First of all, however, it is important to verify the W boson's heavy weight. Already next year, the LHC particle
accelerator will produce a record-breakingset of data concerning the W boson’s mass, and if the heavy weight is
confirmed, the way has been paved for new physics.