Nuevos resultados del experimento CMS resuelven el misterio de la masa del bosón W

Después de una medición inesperada realizada en 2022 por el experimento Collider Detector at Fermilab (CDF), los físicos del experimento Compact Muon Solenoid (CMS) en el 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. Después de casi una década de análisis, CMS ha descubierto que la masa del bosón W es consistente con las predicciones, poniendo fin finalmente a un misterio de varios años de duración.

El análisis final utilizó 300 millones de eventos recopilados durante el funcionamiento 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 coherente con las predicciones del Modelo Estándar de 80.357 ± 6 MeV. También realizaron un análisis independiente que verifica las suposiciones teóricas.

«El nuevo resultado del CMS es único debido a su precisión y al modo en que determinamos las incertidumbres», dijo Patty McBride, 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 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.

«El diseño del CMS lo hace especialmente adecuado para mediciones de masa de precisión», afirmó McBride. «Es un experimento de próxima generación».

Como la mayoría de las partículas fundamentales tienen una vida increíblemente corta, los científicos miden sus masas sumando las masas y los momentos de todo aquello en lo que se desintegran. Este método funciona bien para partículas como el bosón Z, un primo del bosón W, que se desintegra en dos muones. Pero el bosón W plantea un gran desafío porque uno de sus productos de desintegración es una diminuta partícula fundamental llamada neutrino.

«Los neutrinos son notoriamente difíciles de medir», dijo Josh Bendavid, un científico del Instituto Tecnológico de Massachusetts que trabajó en este análisis. «En los experimentos con colisionadores, el neutrino pasa desapercibido, por lo que sólo podemos trabajar con la mitad del panorama».

Trabajar con sólo la mitad de la imagen significa que los físicos deben ser creativos. Antes de ejecutar el análisis con datos experimentales reales, los científicos simularon primero miles de millones de colisiones del LHC.

«En algunos casos, incluso tuvimos que modelar pequeñas deformaciones en el detector», dijo Bendavid. «La precisión es lo suficientemente alta como para que nos preocupemos por pequeños giros y curvaturas; incluso si son tan pequeños como el ancho de un cabello humano».

Los físicos también necesitan numerosos aportes teóricos, como qué sucede dentro de los protones cuando chocan, cómo se produce el bosón W y cómo se mueve antes de desintegrarse.

«Es un verdadero arte descubrir el impacto de las aportaciones teóricas», afirmó McBride.

En el pasado, los físicos utilizaban el bosón Z como sustituto del bosón W al calibrar sus modelos teóricos. Si bien este método tiene muchas ventajas, también añade una capa de incertidumbre al proceso.

«Los bosones Z y W son hermanos, pero no gemelos», dijo Elisabetta Manca, investigadora de la Universidad de California en Los Ángeles y una de las analistas. «Los físicos deben hacer algunas suposiciones al extrapolar del Z al W, y estas suposiciones aún están en discusión».

Para reducir esta incertidumbre, los investigadores del CMS desarrollaron una novedosa técnica de análisis que utiliza únicamente datos reales del bosón W para limitar las entradas teóricas.

«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».