El LHC obtiene la mejor medida de la masa del bosón W

Esta semana la colaboración científica del experimento ATLAS publica en el 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 partículas elementales que median la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales que dominan el comportamiento de la materia en el universo.

Los autores proporcionan un valor de 80370±19 megaelectronvoltios (MeV), compatible con las predicciones del modelo estándar, la teoría que describe las partículas y sus interacciones. Este resultado ha sido posible por la gran precisión alcanzada en la medida de las propiedades de las partículas cargadas en ATLAS lograda gracias al meticuloso alineamiento del detector, una labor desarrollada, entre otros centros de investigación, por un centro español: el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia).

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 energía de 7 teraelectronvoltios (TeV). Coincide con medidas anteriores obtenidas en el Large Electron-Positron collider (LEP), antecesor del LHC en el CERN, y Tevatrón, el anterior acelerador de partículas de Fermilab (Estados Unidos), cuyos datos permitieron refinar esta medida durante los últimos 20 años.

El bosón W es una de las partículas 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 Física 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 Física 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 física a través de las medidas muy precisas del LHC”.

El modelo estándar es una herramienta muy potente para predecir las características y el comportamiento de las partículas 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 física 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 este modelo 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 física, puesto que cualquier discrepancia del valor medido respecto al predicho podría revelar nuevos fenómenos distintos al que indica el modelo.

Contribución del Instituto de Física Corpuscular

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 partícula responsable de la fuerza débil) y otras medidas auxiliares. En la calibración del detector desempeña un papel fundamental el grupo del IFIC, responsable de la alineación del experimento ATLAS.

El bosón W se desintegra casi instantáneamente tras producirse en las colisiones entre protones del LHC. Los científicos tienen que reconstruir su presencia a partir de restos que dejan esas colisiones como los muones (partícula similar al electrón, pero más pesada). Y para ello hay que conocer las características principales de esas partículas, como su energía y momento. “La exactitud en la medida del momento y la energía de los muones depende de lo bien que conozcamos la posición de cada componente del detector ATLAS. Ese es nuestro cometido”, dice Salvador Martí, 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 partículas 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 características 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 científicos de ATLAS, una colaboración internacional donde participan más de 3.000 científicos de 38 países 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.