Publiquen la primera mesura de gran precisió de la massa del bosó W en el LHC
La col·laboració cientÃfica de l'experiment ATLAS publica en European Physical Journal C la primera mesura de gran precisió realitzada en el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN de la massa del bosó W, una de les partÃcules elementals que juguen un paper fonamental en el comportament de la matèria a l'Univers. A la mesura ha contribuït notablement la labor de l'Institut de FÃsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) en el detector ATLAS.
La col·laboració cientÃfica de l'experiment ATLAS publica en European Physical Journal C la primera mesura de gran precisió realitzada en el Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN de la massa del bosó W, una de les dues partÃcules elementals que intervenen la interacció feble, una de les quatre forces fonamentals que dominen el comportament de la matèria en l'Univers. El resultat proporciona un valor de 80370±19 megaelectronvolts (MeV), compatible amb les prediccions del Model Està ndard, la teoria que descriu les partÃcules i les seues interaccions. Aquest resultat ha sigut possible per la gran precisió aconseguida en la mesura de les propietats de les partÃcules carregades en ATLAS, aconseguida grà cies al meticulós alineament del detector, una labor desenvolupada, entre altres centres de recerca, per l'Institut de FÃsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València).
La mesura es basa en una mostra d'al voltant de 14 milions de bosons W registrats per ATLAS durant 2011, quan el LHC funcionava a una energia de 7 teraelectronvolts (TeV). Coincideix amb mesures anteriors obtingudes en LEP, antecessor del LHC en el CERN, i Tevatron, l'anterior accelerador de partÃcules de Fermilab (Estats Units), les dades de les quals van permetre refinar aquesta mesura durant els últims 20 anys.
El bosó W és una de les partÃcules més pesades que es coneixen. El seu descobriment en 1983 va culminar l'èxit del Super Proton-antiproton Synchrotron (SPS) del CERN, portant al Premi Nobel de FÃsica de 1984. Encara que les propietats del bosó W s'han estudiat durant més de 30 anys, mesurar la seua massa amb alta precisió segueix sent un gran repte i un objectiu important per a provar la unificació de la força feble i l'electromagnetisme en el Model Està ndard.
"Aconseguir una mesura de precisió semblant malgrat les exigents condicions presents en un col·lisionador hadrònic com el LHC és un gran repte", ha dit el coordinador de FÃsica de la col·laboració ATLAS, Tancredi Carli. "Aconseguir una precisió similar a l'obtinguda en altres acceleradors analitzant solament un any de dades del Run 1 és tot un assoliment. Un exemple destacat de la nostra capacitat per a millorar el nostre coneixement del Model Està ndard i cercar senyals de nova fÃsica a través de les mesures molt precises del LHC".
El Model Està ndard és una eina molt potent per a predir les caracterÃstiques i el comportament de les partÃcules elementals, i permet derivar certs parà metres partint d'altres quantitats ben conegudes. Les masses del bosó W, el quark top i del bosó de Higgs, per exemple, estan relacionades per efectes de fÃsica quà ntica. Per tant, és molt important mesurar la massa del bosó W de la forma més precisa possible per a entendre millor el bosó de Higgs, refinar el Model Està ndard i provar la seua consistència global.
Amb el Model Està ndard es pot predir la massa del bosó W amb una precisió que supera les mesures directes obtingudes fins avui. Per això la seua massa és un element clau en la cerca de nova fÃsica, ja que qualsevol discrepà ncia del valor mesurat respecte al predit podria revelar nous fenòmens diferents al Model Està ndard.
La mesura depèn d'un calibratge minuciós del detector i de models teòrics que expliquen la producció dels bosons W, que s'aconsegueixen principalment mitjançant l'estudi d'esdeveniments amb bosons Z (l'altra partÃcula responsable de la força feble) i altres mesures auxiliars. En el calibratge del detector juga un paper fonamental el grup de l'Institut de FÃsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), responsable de l'alineació de l'experiment ATLAS.
El bosó W es desintegra quasi instantà niament després de produir-se en les col·lisions entre protons del LHC. Els cientÃfics han de reconstruir la seua presència a partir de restes que deixen aqueixes col·lisions com els muons (partÃcula similar a l'electró, però més pesada). I, per a tal finalitat, cal conèixer les caracterÃstiques principals d'aqueixes partÃcules, com la seua energia i moment. "L'exactitud en la mesura del moment i l'energia dels muons depèn del coneixement de la posició de cada component del detector ATLAS. Aquesta és la nostra comesa", diu Salvador MartÃ, investigador de l'IFIC.
El grup de l'IFIC responsable de l'alineament del Detector Intern d'ATLAS ha desenvolupat el sistema que detecta possibles biaixos en la mesura del moment de les partÃcules produïdes en els 40 milions de col·lisions per segon que es registren en l'experiment. Per a corregir possibles errors, el sistema utilitza les desintegracions del bosó Z a dos muons, que tenen caracterÃstiques similars als procedents del W. El seu avantatge resideix a què un muó permet constrènyer les propietats de l'altre i viceversa. Aquesta tècnica, desenvolupada pel grup de l'IFIC per a tot el detector ATLAS, és la que s'ha utilitzat per a l'anà lisi de la massa del bosó W publicada.
A causa de la complexitat de l'anà lisi, ha portat quasi 5 anys a l'equip de cientÃfics d'ATLAS, una col·laboració internacional on participen més de 3.000 cientÃfics de 38 països i 182 institucions, aconseguir aquest nou resultat. Anà lisis posteriors utilitzant l'enorme quantitat de dades del LHC disponibles ara permetran arribar fins i tot a una major precisió en el futur pròxim.