Un parámetro que puede contener pistas sobre nuevos fenómenos físicos es el "ancho" del bosón W, el portador cargado eléctricamente de la fuerza débil. El ancho de una partícula está directamente relacionado con su vida útil y describe cómo se desintegra en otras partículas. Si el bosón W se desintegra de maneras inesperadas, como en nuevas partículas aún por descubrir, éstas influirán en el ancho medido.

Como el modelo estándar predice con precisión su valor basándose en la intensidad de la fuerza débil cargada y la masa del bosón W (junto con efectos cuánticos más pequeños), cualquier desviación significativa de la predicción indicaría la presencia de fenómenos no contabilizados.

En un nuevo estudio publicado en arXiv servidor de preimpresión, la colaboración ATLAS midió por primera vez la anchura del bosón W en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El ancho del bosón W se había medido previamente en el colisionador de electrones grandes y positrones (LEP) del CERN y en el colisionador Tevatron del Fermilab, arrojando un valor promedio de 2085 ± 42 millones de electronvoltios (MeV), consistente con la predicción del modelo estándar de 2088 ± 1 MeV. .

Utilizando datos de colisión protón-protón con una energía de 7 TeV recopilados durante la ejecución 1 del LHC, ATLAS midió el ancho del bosón W en 2202 ± 47 MeV. Esta es la medición más precisa realizada hasta la fecha mediante un solo experimento y, aunque es un poco más grande, es consistente con la predicción del modelo estándar con una precisión de 2,5 desviaciones estándar (consulte la figura a continuación).

Este notable resultado se logró realizando un análisis detallado del momento de las partículas de las desintegraciones del bosón W en un electrón o un muón y su correspondiente neutrino, que no se detecta pero deja una huella de energía faltante en el evento de colisión (ver imagen arriba). Esto requirió que los físicos calibraran con precisión la respuesta del detector ATLAS a estas partículas en términos de eficiencia, energía y momento, teniendo en cuenta las contribuciones de los procesos en segundo plano.

Sin embargo, lograr una precisión tan alta también requiere la confluencia de varios resultados de alta precisión. Por ejemplo, era esencial comprender con precisión la producción del bosón W en colisiones protón-protón, y los investigadores se basaron en una combinación de predicciones teóricas validadas por varias mediciones de las propiedades de los bosones W y Z.

También es crucial para esta medición el conocimiento de la estructura interna del protón, que se describe en las funciones de distribución de partones. Los físicos de ATLAS incorporaron y probaron funciones de distribución de partones derivadas de grupos de investigación globales a partir de datos de ajuste de una amplia gama de experimentos de física de partículas.

La colaboración ATLAS midió el ancho del bosón W simultáneamente con la masa del bosón W utilizando un método estadístico que permitió restringir directamente parte de los parámetros que cuantifican las incertidumbres a partir de los datos medidos, mejorando así la precisión de la medición.

La medición actualizada de la masa del bosón W es 80367 ± 16 MeV, lo que mejora y reemplaza la medición anterior de ATLAS utilizando el mismo conjunto de datos. Los valores medidos tanto de la masa como del ancho son consistentes con las predicciones del modelo estándar.

Se espera que las mediciones futuras del ancho y la masa del bosón W utilizando conjuntos de datos ATLAS más grandes reduzcan las incertidumbres estadísticas y experimentales. Al mismo tiempo, los avances en las predicciones teóricas y una comprensión más refinada de las funciones de distribución de parton ayudarán a reducir las incertidumbres teóricas. A medida que sus mediciones se vuelvan cada vez más precisas, los físicos podrán realizar pruebas aún más estrictas del modelo estándar y explorar nuevas partículas y fuerzas.