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El bosón W desvela su masa

Después de casi cinco años, más de 3.000 científicos de 38 países y 182 instituciones han conseguido la primera medida de gran precisión de la masa del bosón W, una de las dos partículas elementales que dominan el comportamiento de la materia. Su masa es un elemento clave en la búsqueda de nueva Física: el resultado permitirá entender mejor el bosón de Higgs, refinar el Modelo Estándar y probar su consistencia global.

El bosón W desvela su masa

La colaboración científica del experimento ATLAS ha conseguido la primera medida de gran precisión realizada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN de la masa del bosón W. Se trata de una de las dos partículas elementales implicadas en la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales que dominan el comportamiento de la materia en nuestro Universo.

El resultado, publicado en la revista European Physical Journal C, proporciona un valor de 80370±19 megaelectronvoltios (MeV), compatible con las predicciones del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas y sus interacciones.

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”, dijo el coordinador de Física de la colaboración ATLAS, Tancredi Carli, en un comunicado del CERN. “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”.

Buscando la nueva Física

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.

Mediante 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 la 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.

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.

Referencia

Measurement of the W-boson mass in pp collisions at  (sqrt{s}=7, hbox {TeV})  with the ATLAS detector. Aaboud, M., Aad, G., Abbott, B. et al. Eur. Phys. J. C (2018) 78: 110. https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-5475-4

RedacciónT21

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