Tras una medición inesperada realizada en 2022 por el detector de colisiones del Fermilab (CDF), los físicos del experimento del solenoide compacto de muones (CMS) del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) anunciaron hoy una nueva medición de la masa del bosón W, una de las partículas portadoras de fuerza de la naturaleza. Esta nueva medición, que es la primera del experimento CMS, utiliza una nueva técnica que la convierte en la investigación más elaborada de la masa del bosón W hasta la fecha. Tras casi una década de análisis, el CMS ha descubierto que la masa del bosón W es coherente con las predicciones, lo que pone fin por fin a un misterio de varios años de antigüedad. Ver el artículo publicado.
El análisis final utilizó 300 millones de eventos recopilados durante la ejecución del LHC en 2016 y 4 mil millones de eventos simulados. A partir de este conjunto de datos, el equipo reconstruyó y luego midió la masa de más de 100 millones de bosones W. Descubrieron que la masa del bosón W es de 80 360,2 ± 9,9 megaelectronvoltios (MeV), lo que es consistente con las predicciones del Modelo Estándar de 80 357 ± 6 MeV. También realizaron un análisis separado que verifica las suposiciones teóricas.
«El nuevo resultado del CMS es único por su precisión y por la forma en que determinamos las incertidumbres», dijo Patty McBride, una distinguida científica del Laboratorio Nacional de Investigación Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos y ex portavoz del CMS. «Hemos aprendido mucho de CDF y de los otros experimentos que han trabajado en la cuestión de la masa del bosón W. Nos apoyamos en ellos y esta es una de las razones por las que podemos llevar este estudio un gran paso adelante».
Desde que se descubrió el bosón W en 1983, los físicos han medido su masa en 10 experimentos diferentes.
El bosón W es una de las piedras angulares del Modelo Estándar, el marco teórico que describe la naturaleza en su nivel más fundamental. Una comprensión precisa de la masa del bosón W permite a los científicos trazar un mapa de la interacción de partículas y fuerzas, incluida la intensidad del campo de Higgs y la fusión del electromagnetismo con la fuerza débil, que es responsable de la desintegración radiactiva.
«El universo entero es un delicado acto de equilibrio», dijo Anadi Canepa, portavoz adjunta del experimento CMS y científica de alto rango del Fermilab. «Si la masa de W es diferente de la que esperamos, podría haber nuevas partículas o fuerzas en juego».
La nueva medida del CMS tiene una precisión del 0,01%. Este nivel de precisión corresponde a la medición de un lápiz de 4 pulgadas de largo entre 3,9996 y 4,0004 pulgadas. Pero a diferencia de los lápices, el bosón W es una partícula fundamental sin volumen físico y con una masa menor que la de un solo átomo de plata.
«Esta medición es extremadamente difícil de realizar», añadió Canepa. «Necesitamos múltiples mediciones de múltiples experimentos para verificar el valor».
El experimento CMS es único entre otros experimentos que han realizado esta medición debido a su diseño compacto, sensores especializados para partículas fundamentales llamadas muones y un imán solenoide extremadamente fuerte que dobla las trayectorias de las partículas cargadas a medida que se mueven a través del detector.
«Pudimos hacerlo de manera efectiva gracias a una combinación de un conjunto de datos más amplio, la experiencia que obtuvimos de un estudio anterior del bosón W y los últimos avances teóricos», dijo Bendavid. «Esto nos ha permitido liberarnos del bosón Z como punto de referencia».
Como parte de este análisis, también examinaron 100 millones de pistas de las desintegraciones de partículas conocidas para recalibrar una sección masiva del detector CMS hasta que fuera un orden de magnitud más preciso.
«Este nuevo nivel de precisión nos permitirá abordar mediciones críticas, como aquellas que involucran los bosones W, Z y Higgs, con mayor precisión», dijo Manca.
La parte más desafiante del análisis fue la intensidad del tiempo, ya que requirió crear una técnica de análisis novedosa y desarrollar una comprensión increíblemente profunda del detector CMS.
«Comencé esta investigación como estudiante de verano y ahora estoy en mi tercer año como posdoctorado», dijo Manca. «Es una maratón, no un sprint».
El experimento del Solenoide de Muón Compacto (CMS) está financiado en parte por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias. Es uno de los dos grandes experimentos de propósito general en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en CERNel Laboratorio Europeo de Física de Partículas.
Más información: Medición de la masa del bosón W en colisiones protón-protón a √s= 13 TeV
