Publiquen la primera mesura de gran precisió de la massa del bosó W en el LHC

La col·laboració científica 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 partícules 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 Estàndard, la teoria que descriu les partícules i les seues interaccions. Aquest resultat ha sigut possible per la gran precisió aconseguida en la mesura de les propietats de les partícules carregades en ATLAS , aconseguida gràcies al meticulós alineament del detector, una labor desenvolupada, entre altres centres de recerca, per l'Institut de Física 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 partícules 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 partícules 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 Física 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 Estàndard.

“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 Física 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 Estàndard i cercar senyals de nova física a través de les mesures molt precises del LHC”.

El Model Estàndard és una eina molt potent per a predir les característiques i el comportament de les partícules elementals, i permet derivar certs paràmetres 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 física quàntica. 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 Estàndard i provar la seua consistència global.

Amb el Model Estàndard es pot predir la massa del bosó W amb una precisió que supera les mesures directes obtingudes fins hui . Per això la seua massa és un element clau en la cerca de nova física, ja que qualsevol discrepància del valor mesurat respecte al predit podria revelar nous fenòmens diferents al Model Estàndard.

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 partícula responsable de la força feble) i altres mesures auxiliars. En el calibratge del detector juga un paper fonamental el grup de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València ), responsable de l'alineació de l'experiment ATLAS.

El bosó W es desintegra quasi instantàniament després de produir-se en les col·lisions entre protons del LHC. Els científics han de reconstruir la seua presència a partir de restes que deixen aqueixes col·lisions com els muons (partícula similar a l'electró, però més pesada). I, per a tal finalitat, cal conèixer les característiques principals d'aqueixes partícules, 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 Martí, 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 partícules 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 característiques 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'anàlisi de la massa del bosó W publicada.

A causa de la complexitat de l'anàlisi, ha portat quasi 5 anys a l'equip de científics d'ATLAS, una col·laboració internacional on participen més de 3.000 científics de 38 països i 182 institucions, aconseguir aquest nou resultat. Anàlisis posteriors utilitzant l'enorme quantitat de dades del LHC disponibles ara permetran arribar fins i tot a una major precisió en el futur pròxim.