El experimento CMS presenta la medida de la masa del bosón W más precisa de las obtenidas en el LHC

La colaboración CMS anunció hace dos semanas, en un seminario público celebrado en el CERN, la medida de la masa del bosón W más precisa obtenida en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El resultado, 80360.2 ± 9.9 MeV, se ajusta de manera excelente a las predicciones del modelo estándar de física de partículas, que es la mejor teoría de la que disponemos actualmente para explicar el mundo subatómico. Es la primera vez que se alcanza este nivel de precisión en un entorno experimental tan complejo como el del LHC.

El bosón W fue descubierto en el CERN en 1983, pero medir su masa con precisión sigue siendo un desafío experimental 40 años después. La masa del bosón W es uno de los parámetros fundamentales del modelo estándar, y su medición es una prueba muy exigente de la teoría. El análisis de CMS, iniciado en 2016, ha logrado una precisión extraordinaria, igualando la obtenida recientemente en el experimento CDF.

Los bosones W producidos en el LHC se desintegran casi instantáneamente, y en aproximadamente un 11% de los casos se generan un muón y un neutrino. Mientras que el detector CMS puede detectar los muones, los neutrinos escapan sin ser detectados. Si ambas partículas pudieran ser medidas, la masa del bosón W se determinaría directamente a partir de sus energía y dirección, como ocurre con el bosón de Higgs. Para superar esta limitación, los investigadores usan la relación E=mc²: cuanto mayor es la masa del bosón W, mayor es la energía y el momento del muón. Así, analizando el momento de los muones tras la desintegración, se ha podido inferir el valor de la masa del bosón W con gran precisión. Cabe destacar que la "M" en CMS hace referencia precisamente a la capacidad del detector para medir muones de forma precisa.

Para este estudio, los investigadores emplearon las técnicas experimentales más avanzadas y las predicciones teóricas más sofisticadas. Se han realizado multitud de comprobaciones y de medidas complementarias que han permitido excluir la presencia de errores experimentales que pudieran sesgar el resultado de la medida.

Hace dos años, la colaboración CDF del colisionador Tevatron anunció una nueva medida de la masa del bosón W, con una incertidumbre de 9.4 MeV, superando la de todas las mediciones previas. El Tevatron, que operó en Fermilab (EEUU) entre 1984 y 2011, produjo un resultado que se desviaba notablemente de la predicción del modelo estándar y de otras mediciones en el CERN. Esta discrepancia implusó diversas extensiones teóricas del modelo estándar, sugiriendo posibles efectos de "nueva física". Sin embargo, el resultado de CMS iguala la impresionante precisión de CDF y, a diferencia de este, confirma las predicciones del modelo estándar, reforzando la confianza en su validez.

El modelo estándar de física de partículas es una teoría con fuertes conexiones internas, esto es, unos pocos parámetros impactan en varios fenómenos fundamentales medidos en los colisionadores de forma diversa. Al combinar diferentes observables en un análisis conjunto (llamado ajuste electrodébil), se obtiene una estimación indirecta de la masa del bosón W, que puede compararse con la medición directa. Este es uno de los tests más importantes para validar el modelo estándar, ya que nuevos fenómenos —como nuevas partículas, fuerzas o dimensiones— podrían modificar esas conexiones. Una diferencia significativa entre los valores de la masa indirecta y la directa podría ser una señal 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 su sistema de disparo (trigger) online que selecciona los sucesos para su almacenamiento, como en el análisis offline posterior, donde se obtiene una eficaz reconstrucción de sus trayectorias, que finalmente se combinan con la información del detector central de trazas para alcanzar la precisión necesaria. La Universidad Autónoma de Madrid (investigadores del Departamento de Física Teórica) es miembro de la colaboración CMS desde su inicio y tiene importantes responsabilidades en el detector central de muones de CMS. Fue responsable del diseño, construcción y puesta en funcionamiento del trigger regional del detector central de muones que reconstruye las trayectorias de los muones en tiempo real. Desde el comienzo del experimento, la UAM ha participado en las tareas de operación, mantenimiento y actualización del detector central de muones, liderando varias actividades. Asimismo, el grupo de la UAM está trabajando en la actualización del trigger de muones para adecuarlo a las exigentes condiciones de operación de la próxima fase de alta luminosidad del LHC (HL-LHC), que aumentará significativamente el número de colisiones.

_{^{Resumen gráfico comparativo con las medidas anteriores de la masa del bosón W. La banda gris representa el valor que se espera en el modelo estándar. Se resalta en rojo el resultado de CMS, que se ajusta con gran precisión a la predicción}}

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Referencia bibliográfica:

https://indico.cern.ch/event/1441575/

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