La colaboración CMS del CERN ha presentado en un seminario público en el auditorio del CERN la medida de la masa del bosón W más precisa obtenida en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El resultado es 80360.2 ± 9.9 MeV y está en un acuerdo excelente con el Modelo Estándar de la Física de Partículas, 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 más tarde. 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.
Los bosones W que se producen en el LHC se desintegran de forma prácticamente instantánea, algunas de las desintegraciones son a 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 últimas técnicas experimentales ya a las predicciones teóricas más sofisticadas. Se ha desarrollado un algoritmo específico de reconstrucción cinemática de altas prestaciones. El algoritmo se ha probado con muestras de otra partícula diferente, el bosón Z, porque se desintegra en dos muones que se detectan con claridad en CMS. Simulando que solo se detecta un muón, se puede estudiar ese bosón Z como si se desintegrase en un muón y un neutrino, exactamente como lo hace el bosón W, y se puede comparar el resultado de medir su masa con su valor, ya conocido con una altísima precisión. Se ha observado una consistencia excelente en los resultados de todos los tests, lo que permite excluir la existencia de errores experimentales que pudieran sesgar la medida.
Se ha realizado también una medida alternativa de la masa del bosón W en la que se relajan las hipótesis teóricas y son los datos los que determinan el valor de los parámetros teóricos. Si bien en esta aproximación la medida es algo menos precisa, la consistencia del resultado con el del análisis principal refuerza la solidez de la metodología teórica empleada.
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 anunciado por CDF se desviaba 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 discrepancia. 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 la 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.
Esta es la idea subyacente al programa de Test precisos de observables electrodébiles que se llevó a cabo, principalmente en el CERN y en SLAC, en los años 90 y los primeros 2000 con los resultados del colisionador electrón-positrón LEP del CERN y el colisionador lineal en SLAC (SLC): en el CERN, los cuatro experimentos que operaron en LEP (ALEPH, DELPHI, L3, y OPAL) y en SLAC, el experimento SLD en el SLC. Estos experimentos fueron capaces de probar el modelo estándar con una precisión asombrosa.
El LHC produce una cantidad de bosones W nunca antes alcanzada, si bien a expensas de unas condiciones experimentales difíciles debido al inmenso número de partículas generadas en las colisiones. La medida de masa del bosón W con semejante nivel de precisión supone un logro extraordinario de la colaboración CMS y el testimonio de las inmensas capacidades del detector y el ingenio de las técnicas experimentales desarrolladas.
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. Los institutos españoles de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA; CSIC-UC) y el Instituto Universitario de Ciencias y Tecnologías Espaciales de Asturias (ICTEA-UO) son miembros de la colaboración CMS y han tenido y mantienen importantes responsabilidades en el detector central de muones, desde la construcción mecánica y de la electrónica de lectura, sistema de alineamiento, sistema de disparo, instalación y comisionado, hasta 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 se 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 la intensidad de las colisiones.
