Medición de muy alta precisión de la masa del bosón W

El bosón W es una partícula elemental, una de las mediadoras de la interacción nuclear débil. Esta es una de las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las otras tres son la nuclear fuerte, la electromagnética y la gravitatoria. La fuerza débil permite que ciertas partículas cambien de identidad, por ejemplo, de protón a neutrón y viceversa. Esta transformación impulsa la desintegración radiactiva, así como la fusión nuclear, que energiza al Sol y a las demás estrellas. Recientemente, en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) se hizo una medición de muy alta precisión de la masa de esta partícula.

Verificar las masas reales de partículas como esta y comparar los valores medidos con los calculados a nivel teórico es vital para validar teorías sobre los fundamentos de la física y la propia naturaleza del universo.

Si la masa de una partícula fundamental resulta ser mayor o menor de lo esperado, la comprensión del universo que nos brinda la física puede quedar en entredicho.

En la nueva medición, un equipo internacional (la Colaboración CMS, integrada por más de tres mil científicos, incluidos físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos) ha determinado la masa del bosón W analizando miles de millones de eventos de colisión de protones producidos por el acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) del CERN, ubicado en un terreno fronterizo entre Suiza y Francia.

El LHC acelera los protones uno contra otro a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando chocan, dos protones pueden producir un bosón W, entre una lluvia de otras partículas.

Detectar de manera directa un bosón W es prácticamente imposible, ya que se desintegra casi inmediatamente dando lugar a dos tipos de partículas, una de las cuales, el neutrino, es tan esquiva que resulta indetectable. Ante esta limitación, solo cabe medir la otra partícula, el muón, y calcular cómo puede contribuir a la masa total de su progenitor, el bosón W. En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron el detector CMS (Compact Muon Solenoid), del complejo 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 80360,2 megaelectronvoltios (con un margen de error de 9,9 megaelectronvoltios aproximadamente). Esta nueva masa está en línea con las predicciones del Modelo Estándar de la Física (la teoría más aceptada sobre las propiedades de cada clase de partícula subatómica).

Detección aparente, por el detector CMS, de la fugaz presencia de un bosón W, desintegrándose para dar paso a un muón (línea roja) y un neutrino (línea rosa) el cual, este último, por su naturaleza y las limitaciones del detector, no pudo ser captado. (Imagen: CMS / CERN)

Dado que la nueva medición del CMS coincide con lo predicho por el Modelo Estándar de la Física, al igual que han concordado los resultados de otros experimentos en años recientes, se mantiene la confianza en la veracidad de dicho modelo, que seguirá siendo, al menos de momento, el mejor libro de reglas de los físicos para describir las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza.

El estudio en el que se ha hecho la nueva medición se titula “High-precision measurement of the W boson mass with the CMS experiment”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: NCYT de Amazings)