La colaboración científica del experimento ATLAS ha publicado 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.
El resultado proporciona 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 el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo
Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y 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 energía de 7
teraelectronvoltios (TeV). Coincide con medidas anteriores obtenidas en LEP,
antecesor del LHC en el CERN, y Tevatron, 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”, aseguró 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 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 física, puesto que cualquier discrepancia del
valor medido respecto al predicho podría 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 partícula responsable de la fuerza débil) y
otras medidas auxiliares. En la calibración del detector juega un papel fundamental el
grupo del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la 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 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.
Más información y contacto:
Salvador Martí García. Investigador Científico CSIC. Instituto de Física Corpuscular (IFIC).
Salvador.Marti@ific.uv.es // 96 354 37 04
Aaboud, M., Aad, G., Abbott, B. et al. Measurement of the W-boson mass in pp collisions at s√=7 TeV
with the ATLAS detector. Eur. Phys. J. C (2018) 78: 110. https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-
5475-4