Un equipo de físicos logra una nueva medición ultraprecisa de la masa del bosón W Infobae

Un equipo internacional, entre cuyos miembros se encuentran físicos del MIT (Estados Unidos), informa de una nueva medición ultraprecisa de la masa del bosón W, en un artículo publicado en la revista "Nature".

El bosón W es una de las dos partículas elementales que representan la fuerza débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La fuerza débil permite que ciertas partículas cambien de identidad, como de protones a neutrones y viceversa. Esta transformación es la que impulsa la desintegración radiactiva, así como la fusión nuclear, que alimenta al Sol.

Cuando las partículas fundamentales resultan ser más pesadas o más ligeras de lo esperado, la comprensión del universo por parte de los físicos puede verse alterada. Una partícula con una masa ligeramente superior a la prevista puede desbaratar las suposiciones de los científicos sobre las fuerzas que componen la materia y el espacio.

Sin embargo, una nueva medición de precisión ha restablecido el equilibrio y confirmado las teorías científicas, al menos para uno de los componentes básicos del universo.

Ahora, los científicos han determinado la masa del bosón W analizando más de mil millones de colisiones de protones producidas por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en Suiza. El LHC acelera los protones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando colisionan, dos protones pueden producir un bosón W, entre una lluvia de otras partículas.

Detectar un bosón W es prácticamente imposible, ya que se desintegra casi de inmediato en dos tipos de partículas, una de las cuales, un neutrino, es tan difícil de detectar. Los científicos se ven obligados a medir la otra partícula, conocida como muón, y a modelar cómo podría contribuir a la masa total de su progenitor, el bosón W.

En el nuevo estudio, los científicos utilizaron el experimento Compact Muon Solenoid (CMS), un detector de partículas del LHC que rastrea con precisión los muones y otras partículas producidas tras las colisiones de protones.

A partir de miles de millones de colisiones protón-protón, el equipo identificó 100 millones de eventos que produjeron un bosón W que se desintegró en un muón y un neutrino. Para cada uno de estos eventos, realizaron análisis detallados para obtener una medición precisa de la masa.

Finalmente, determinaron que el bosón W tiene una masa de 80 360,2 + - 9,9 megaelectronvoltios (MeV). Esta nueva masa concuerda con las predicciones del Modelo Estándar, que es el mejor libro de reglas de los físicos para describir las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza.

La precisión de la nueva medición es comparable a la de una medición anterior realizada en 2022 por el Detector de Colisiones de Fermilab (CDF). Dicha medición sorprendió a los físicos, ya que resultó ser significativamente más masiva de lo que predecía el Modelo Estándar, lo que planteó la posibilidad de una "nueva física", como partículas y fuerzas aún por descubrir.

Dado que la nueva medición del CMS es tan precisa como el resultado del CDF y concuerda con el Modelo Estándar, al igual que otros experimentos, es más probable que los físicos tengan una comprensión sólida del bosón W.

En palabras de Kenneth Long, autor principal del estudio e investigador postdoctoral sénior en el Laboratorio de Ciencias Nucleares del MIT: "Esta nueva medición confirma rotundamente que podemos confiar en el Modelo Estándar". El estudio fue elaborado por más de 3.000 miembros de la Colaboración CMS del CERN.

El bosón W fue descubierto en 1983 y se predice que es la cuarta partícula fundamental más pesada. Diversos experimentos han intentado determinar su masa con distintos grados de precisión. En general, estos experimentos han arrojado mediciones que concuerdan con las predicciones del Modelo Estándar. La medición realizada en 2022 por el experimento CDF de Fermilab constituye la única excepción significativa. Además, resulta ser el experimento más preciso hasta la fecha.

Los investigadores intentaron confirmar o refutar los hallazgos del CDF mediante una medición independiente, con un experimento que igualara la precisión del CDF. Su nueva medición de la masa del bosón W es el resultado de diez años de trabajo, dedicados tanto al análisis de colisiones de partículas reales como a la simulación de todos los escenarios que podrían producirlas.

Para su nuevo estudio, los físicos analizaron eventos de colisión de protones producidos en el LHC en 2016. Cuando está en funcionamiento, el colisionador de partículas genera colisiones de protones a un ritmo vertiginoso de aproximadamente una cada 25 nanosegundos.

El equipo analizó una parte del conjunto de datos del LHC de 2016, que abarca miles de millones de colisiones protón-protón. Entre estos, identificaron alrededor de 100 millones de eventos que produjeron un bosón W de vida muy corta.

Cuando un muón se produce por la desintegración de un bosón W, transporta la mitad de la masa de dicho bosón, la cual se convierte en momento lineal que lo aleja del punto de colisión original. Debido al intenso campo magnético dentro del detector CMS, el muón, cargado eléctricamente, sigue una trayectoria cuya curvatura depende de su momento lineal.

El reto para los científicos consiste en rastrear la trayectoria del muón y cada interacción que pueda tener con otras partículas y su entorno, para así estimar su momento lineal inicial.

El momento del muón también se ve influenciado por el momento del bosón W antes de su desintegración. Decodificar el impacto del movimiento del bosón W a partir de los efectos de su masa representó un gran desafío. Para inferir la masa del bosón W, el equipo primero realizó simulaciones de todos los escenarios imaginables que un muón podría experimentar tras una colisión protón-protón en el entorno caótico del colisionador de partículas.

En total, el equipo generó 4 mil millones de eventos simulados, descritos mediante cálculos teóricos de vanguardia. Las simulaciones incorporaron diversas hipótesis sobre cómo el momento del muón se ve afectado por las características físicas del detector CMS, así como incertidumbres en las predicciones que rigen la producción del bosón W en las colisiones del LHC.

Los investigadores compararon sus simulaciones con datos de la ejecución del LHC en 2016. Para cada colisión protón-protón que ocurre en el colisionador, los científicos pueden usar el detector CMS del LHC del CERN para medir con precisión la energía y el momento de las partículas resultantes, como los muones.

El equipo analizó las mediciones de muones del CMS producidas a partir de más de 100 millones de eventos de bosones W. Posteriormente, superpusieron estos datos a sus simulaciones del momento del muón, que posteriormente convirtieron en una nueva masa para el bosón W.

Esa masa (80360,2 + - 9,9 megaelectronvoltios) es significativamente menor que la medida del experimento CDF. Además, la nueva estimación se encuentra dentro del rango que predice el Modelo Estándar para la masa del bosón W, lo que refuerza la confianza de los físicos en el Modelo Estándar y sus descripciones de las principales partículas y fuerzas de la naturaleza.

"Con la combinación de nuestro resultado tan preciso y otros experimentos que coinciden con las predicciones del Modelo Estándar, creo que la mayoría apostaría por el Modelo Estándar", comenta Long. "Aunque creo que deberíamos seguir realizando estas mediciones. Todavía no hemos terminado".

Este trabajo fue financiado, en parte, por múltiples agencias, incluido el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el centro de computación SubMIT, patrocinado por el Departamento de Física del MIT.