La semana pasada, en la conferencia anual Rencontres de Moriond, la colaboración CMS presentó una medida del ángulo de mezcla electrodébil leptónico efectivo. El resultado es la medición más precisa realizada en un colisionador de hadrones hasta la fecha y concuerda con la predicción del Modelo Estándar.

El Modelo Estándar de física de partículas es la descripción más precisa hasta la fecha de las partículas y sus interacciones. Las mediciones precisas de sus parámetros, combinadas con cálculos teóricos precisos, producen un poder predictivo espectacular que permite determinar los fenómenos incluso antes de observarlos directamente.

De esta manera, el modelo limitó con éxito las masas de los bosones W y Z (descubiertos en el CERN en 1983), del quark top (descubierto en el Fermilab en 1995) y, más recientemente, del bosón de Higgs (descubierto en el CERN en 2012). ). Una vez descubiertas estas partículas, estas predicciones se convirtieron en comprobaciones de coherencia del modelo, lo que permitió a los físicos explorar los límites de la validez de la teoría.

Al mismo tiempo, las mediciones precisas de las propiedades de estas partículas son una poderosa herramienta para buscar nuevos fenómenos más allá del Modelo Estándar (la llamada "nueva física"), ya que los nuevos fenómenos se manifestarían como discrepancias entre varias cantidades medidas y calculadas.

El ángulo de mezcla electrodébil es un elemento clave en estos controles de consistencia. Es un parámetro fundamental del Modelo Estándar, que determina cómo la interacción electrodébil unificada dio lugar a las interacciones electromagnética y débil a través de un proceso conocido como ruptura de simetría electrodébil. Al mismo tiempo, une matemáticamente las masas de los bosones W y Z que transmiten la interacción débil. Por lo tanto, las mediciones de W, Z o el ángulo de mezcla proporcionan una buena verificación experimental del modelo.

Las dos mediciones más precisas del ángulo de mezcla débil se realizaron mediante experimentos en el colisionador LEP del CERN y mediante el experimento SLD en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC). Los valores difieren entre sí, lo que ha desconcertado a los físicos durante más de una década. El nuevo resultado concuerda con la predicción del modelo estándar y es un paso hacia la resolución de la discrepancia entre este último y las mediciones LEP y SLD.

"Este resultado muestra que se puede realizar física de precisión en colisionadores de hadrones", afirma Patricia McBride, portavoz de CMS. "El análisis tuvo que manejar el desafiante entorno del LHC Run 2, con un promedio de 35 colisiones simultáneas entre protones. Esto allana el camino para una física más precisa en el LHC de Alta Luminosidad, donde cinco veces más pares de protones colisionarán simultáneamente. ."

Las pruebas de precisión de los parámetros del Modelo Estándar son herencia de los colisionadores electrón-positrones, como el LEP del CERN, que operó hasta el año 2000 en el túnel que ahora alberga el LHC. Las colisiones entre electrones y positrones proporcionan un entorno limpio perfecto para mediciones de alta precisión.

Las colisiones protón-protón en el LHC son más desafiantes para este tipo de estudios, aunque los experimentos ATLAS, CMS y LHCb ya han proporcionado una gran cantidad de nuevas mediciones ultraprecisas. El desafío se debe principalmente a la enorme experiencia de otros procesos físicos distintos al que se está estudiando y al hecho de que los protones, a diferencia de los electrones, no son partículas elementales.

Para este nuevo resultado, alcanzar una precisión similar a la de un colisionador electrón-positrón parecía una tarea imposible, pero ya se ha logrado.

La medición presentada por CMS utiliza una muestra de colisiones protón-protón recopiladas entre 2016 y 2018 con una energía de centro de masa de 13 TeV y correspondiente a una luminosidad total integrada de 137 fb ⁻¹ , es decir, unos 11.000 millones de millones de colisiones.

El ángulo de mezcla se obtiene mediante un análisis de distribuciones angulares en colisiones donde se producen pares de electrones o muones. Esta es la medición más precisa realizada en un colisionador de hadrones hasta la fecha, mejorando las mediciones anteriores de ATLAS, CMS y LHCb.

Proporcionado por CERN