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CMS presenta la medida de la masa del bosón W más precisa de las obtenidas en el LHC
La colaboración CMS ha presentado en un seminario público en el auditorio del CERN la medida de la masa del bosón W más precisa obtenida en el LHC. El resultado es 80360.2 ± 9.9 MeV y está en un acuerdo excelente con el modelo estándar de física de partículas, que es la mejor teoría de la que disponemos actualmente para explicar el mundo de la física de partículas. Es la primera medida en la que se alcanza semejante precisión en un entorno tan difícil experimentalmente como es el LHC.
El bosón W se descubrió en el CERN en 1983 pero obtener una medida precisa de su masa sigue suponiendo un desafío experimental incluso 40 años después. La masa del bosón W es uno de los parámetros fundamentales del modelo estándar y su medida y comparación con la predicción es un test muy exigente del mismo. El análisis que se ha presentado se inició en 2016; finalmente, se ha conseguido alcanzar una altísima precisión, igualando la de la medida más reciente del experimento CDF (ver figura 1).
Los bosones W que se producen en el LHC se desintegran de forma prácticamente instantánea en un muón y un neutrino. Los muones se detectan en el detector CMS pero los neutrinos escapan a su detección (ver figura 2). En el caso de que ambos, muones y neutrinos pudiesen ser detectados, la masa del bosón W podría determinarse directamente a partir de la energía y la dirección de vuelo de las partículas, tal y como se hace, por ejemplo, con el bosón de Higgs. Para hacer frente a esta situación los investigadores hacen uso de la famosa relación E=mc2 entre la masa (m) y la energía (E): cuanta mayor sea la masa, mayor será la energía y el momento de los muones. Por tanto, estudiando el momento de los muones emergentes de la desintegración se ha podido inferir la masa del bosón W con una gran precisión. Recordemos que la ‘M' en CMS quiere decir ‘Muón' y se refiere justamente a la capacidad del detector para detectar, reconstruir y medir los muones de forma precisa.
Para este estudio los investigadores han recurrido a las predicciones teóricas más sofisticadas y a las últimas técnicas experimentales. Se han realizado multitud de tests y medidas complementarias que han permitido excluir la existencia de errores experimentales que pudieran sesgar la medida.
La colaboración CDF del colisionador Tevatron anunció hace dos años una nueva medida de la masa del W con una precisión inferior al 0,1%, mejor que la combinación de todas las medidas anteriores. Tevatron fue un colisionador protón-antiprotón situado en Fermilab (EEUU) que operó entre 1984 y 2011. El resultado de CDF se desvía considerablemente de la predicción del modelo estándar y de otras medidas realizadas en el CERN. Esta discrepancia motivó diversas propuestas teóricas para extender el modelo estándar, sugiriendo posibles efectos debidos a nueva física que pudieran explicar esta diferencia. El resultado de CMS iguala la increíble precisión del resultado de CDF pero, contrariamente a éste, confirma el valor del modelo estándar, aumentando por tanto, la confianza en la validez del mismo.
El modelo estándar de física de partículas es una teoría con fuertes ligaduras internas, esto es, unos pocos parámetros tienen impacto en varios fenómenos fundamentales que se miden en los colisionadores de forma diversa. Combinando la información de diferentes observables en un análisis conjunto (denominado ajuste electrodébil) se obtiene una determinación indirecta de la masa del bosón W que se puede comparar a su vez con la medida directa. Este es uno de los tests más importantes de la validez del modelo estándar ya que nuevos fenómenos, tales como la existencia de nuevas partículas, nuevas fuerzas o nuevas dimensiones, no previstas en el modelo estándar, podrían modificar las ligaduras entre los diferentes observables. Una diferencia significativa entre la determinación indirecta de la masa del bosón W, esto es, el valor de la masa que mejor encajaría con otros fenómenos observados y la medida directa, podría suponer indicios de nueva física.
El detector de muones de CMS ha sido uno de los detectores clave en esta medida. Garantiza una detección eficiente de los muones, tanto en el sistema de trigger online que selecciona los eventos para su almacenamiento y análisis posterior, así como offline para una eficaz reconstrucción de sus trayectorias que se combinan posteriormente con la información del detector central de trazas para alcanzar la precisión necesaria en la medida de sus propiedades. El CIEMAT (investigadores del Dpto. de Investigación Básica y en colaboración con el Dpto. de Tecnología) es miembro de la colaboración CMS desde sus inicios y tiene importantes responsabilidades en el detector central de muones. Fue responsable de la construcción del 25% del detector y de toda la electrónica de lectura, instalación y comisionado en CMS. Desde el comienzo del experimento el CIEMAT participa en las tareas de operación, mantenimiento y actualización del detector, liderando muchas de sus actividades y con representación en la estructura de gobernanza del mismo. Actualmente, el grupo del CIEMAT está trabajando en la actualización de la electrónica de lectura y del sistema de disparo para adecuarlo a las exigentes condiciones de operación de la fase de alta luminosidad del proyecto, HL-LHC, que aumentará significativamente el número de colisiones.