Publican la primera medida de gran precisión de la masa del bosón W en el LHC
La colaboración cientÃfica del experimento ATLAS publica en European Physical Journal C la primera medida de gran precisión realizada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN de la masa del bosón W, una de las partÃculas elementales que juegan un papel fundamental en el comportamiento de la materia en el Universo. A la medida ha contribuido notablemente la labor del Instituto de FÃsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) en el detector ATLAS.
La colaboración cientÃfica del experimento ATLAS publica en European Physical Journal C la primera medida de gran precisión realizada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN de la masa del bosón W, una de las dos partÃculas elementales que median la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales que dominan el comportamiento de la materia en el Universo. El resultado proporciona un valor de 80370±19 megaelectronvoltios (MeV), compatible con las predicciones del Modelo Estándar, la teorÃa que describe las partÃculas y sus interacciones. Este resultado ha sido posible por la gran precisión alcanzada en la medida de las propiedades de las partÃculas cargadas en ATLAS lograda gracias al meticuloso alineamiento del detector, una labor desarrollada, entre otros centros de investigación, por el Instituto de FÃsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València).
La medida se basa en una muestra de alrededor de 14 millones de bosones W registrados por ATLAS durante 2011, cuando el LHC funcionaba a una energÃa de 7 teraelectronvoltios (TeV). Coincide con medidas anteriores obtenidas en LEP, antecesor del LHC en el CERN, y Tevatron, el anterior acelerador de partÃculas de Fermilab (Estados Unidos), cuyos datos permitieron refinar esta medida durante los últimos 20 años.
El bosón W es una de las partÃculas más pesadas que se conocen. Su descubrimiento en 1983 culminó el éxito del Super Proton-antiproton Synchrotron (SPS) del CERN, llevando al Premio Nobel de FÃsica de 1984. Aunque las propiedades del bosón W se han estudiado durante más de 30 años, medir su masa con alta precisión sigue siendo un gran reto y un objetivo importante para probar la unificación de la fuerza débil y el electromagnetismo en el Modelo Estándar.
"Conseguir una medida de precisión semejante a pesar de las exigentes condiciones presentes en un colisionador hadrónico como el LHC es un gran reto", dijo el coordinador de FÃsica de la colaboración ATLAS, Tancredi Carli. "Alcanzar una precisión similar a la obtenida en otros aceleradores analizando solo un año de datos del Run 1 es todo un logro. Un ejemplo destacado de nuestra capacidad para mejorar nuestro conocimiento del Modelo Estándar y buscar señales de nueva fÃsica a través de las medidas muy precisas del LHC".
El Modelo Estándar es una herramienta muy potente para predecir las caracterÃsticas y el comportamiento de las partÃculas elementales, y permite derivar ciertos parámetros partiendo de otras cantidades bien conocidas. Las masas del bosón W, el quark top y del bosón de Higgs, por ejemplo, están relacionadas por efectos de fÃsica cuántica. Por tanto, es muy importante medir la masa del bosón W de la forma más precisa posible para entender mejor el bosón de Higgs, refinar el Modelo Estándar y probar su consistencia global.
Con el Modelo Estándar se puede predecir la masa del bosón W con una precisión que supera a las medidas directas obtenidas hasta la fecha. Por eso su masa es un elemento clave en la búsqueda de nueva fÃsica, puesto que cualquier discrepancia del valor medido respecto al predicho podrÃa revelar nuevos fenómenos distintos al Modelo Estándar.
La medida depende de una calibración minuciosa del detector y de modelos teóricos que explican la producción de los bosones W, que se logran principalmente mediante el estudio de eventos con bosones Z (la otra partÃcula responsable de la fuerza débil) y otras medidas auxiliares. En la calibración del detector juega un papel fundamental el grupo del Instituto de FÃsica Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València), responsable de la alineación del experimento ATLAS.
El bosón W se desintegra casi instantáneamente tras producirse en las colisiones entre protones del LHC. Los cientÃficos tienen que reconstruir su presencia a partir de restos que dejan esas colisiones como los muones (partÃcula similar al electrón, pero más pesada). Y para ello hay que conocer las caracterÃsticas principales de esas partÃculas, como su energÃa y momento. "La exactitud en la medida del momento y la energÃa de los muones depende de lo bien que conozcamos la posición de cada componente del detector ATLAS. Ese es nuestro cometido", dice Salvador MartÃ, investigador del IFIC.
El grupo del IFIC responsable del alineamiento del Detector Interno de ATLAS ha desarrollado el sistema que detecta posibles sesgos en la medida del momento de las partÃculas producidas en los 40 millones de colisiones por segundo que se registran en el experimento. Para corregir posibles errores, el sistema utiliza las desintegraciones del bosón Z a dos muones, que tienen caracterÃsticas similares a los que proceden del W. Su ventaja reside en que un muón permite constreñir las propiedades del otro y viceversa. Esta técnica, desarrollada por el grupo del IFIC para todo el detector ATLAS, es la que se ha utilizado para el análisis de la masa del bosón W publicada.
Debido a la complejidad del análisis, ha llevado casi 5 años al equipo de cientÃficos de ATLAS, una colaboración internacional donde participan más de 3.000 cientÃficos de 38 paÃses y 182 instituciones, alcanzar este nuevo resultado. Análisis posteriores utilizando la enorme cantidad de datos del LHC disponible ahora permitirán llegar incluso a una mayor precisión en el futuro próximo.