Medição de alta precisão da massa do bóson W

A ATLAS Collaboration reporta a primeira medida de alta precisão no Large Hadron Collider (LHC) da massa do bóson W.

© CERN/ATLAS (medição da massa do bóson W)

A imagem acima mostra um evento candidato de colisões próton-próton no experimento ATLAS: decaimento de um Bosão W para 1 múon (um elétron mais pesado e hiper-relativista) e 1 neutrino originados dos feixes estáveis a 7 TeV. O múon (linha vermelha) tem um momento transverso de 32,8 GeV e a energia transversal em falta é de 52,4 GeV (linha a azul) resultando numa massa transversal de 82,9 GeV no sistema di-leptônico. Foi detectada pouca atividade hadrônica, o que é indicação de pequeno momento transversal do candidato W. O evento foi registado em Junho de 2011 e foi usado para a medição da massa do bóson W.

Esta é uma das duas partículas elementares que medeiam a interação fraca, uma das forças que governam o comportamento da matéria em nosso universo. O resultado relatado fornece um valor de 80.370 ± 19 MeV (com uma precisão instrumental de 0.02%) para a massa do bóson W, o que é consistente com a expectativa do Modelo Padrão de Física de Partículas, a teoria que descreve as partículas conhecidas e suas interações. Note-se que existem três bósons que medeiam a força nuclear fraca, sendo que o bóson W é na realidade dois: o +W e o -W, que se diferenciam apenas pela carga elétrica, e o terceiro é o bóson Z. Um exemplo da força nuclear fraca é a fusão do hidrogênio para um dos seus isótopos estáveis, o deutério.

A medição é baseada em cerca de 14 milhões de bósons W registrados em um único ano (2011), quando o LHC estava funcionando na energia de 7 TeV. Ele corresponde às medidas anteriores obtidas no LEP, o antepassado do LHC no CERN (European Organization for Nuclear Research) e no Tevatron, um antigo acelerador do Fermilab nos Estados Unidos, cujos dados possibilitaram refinar continuamente esta medida nos últimos 20 anos.

O bóson W é uma das partículas mais conhecidas do Universo. A sua descoberta em 1983 coroou o sucesso do síncrotron próton-antipróton do CERN, que conduziu ao Prêmio Nobel de Física em 1984. Embora as propriedades do bóson W tenham sido estudadas há mais de 30 anos, medir sua massa em alta precisão continua sendo um grande desafio.

O Modelo Padrão é muito poderoso para prever o comportamento e determinadas características das partículas elementares e permite deduzir certos parâmetros de outras quantidades bem conhecidas. As massas dos bósons W, o quark top e o bóson de Higgs, por exemplo, estão ligados por relações de física quântica. Portanto, é muito importante melhorar a precisão das medidas de massa do bóson W para entender melhor o bóson de Higgs, refinar o Modelo Padrão e testar sua consistência geral.

Notavelmente, a massa do bóson W pode ser prevista hoje com uma precisão superior à das medidas diretas. É por isso que é um ingrediente fundamental na busca de física nova, pois qualquer desvio da massa medida da predição pode revelar novos fenômenos conflitantes com o Modelo Padrão.

A medição depende de uma calibração completa do detector e da modelagem teórica da produção de bosons W. Estes foram alcançados através do estudo dos eventos do bóson Z e várias outras medidas auxiliares. A complexidade da análise significou que levou quase cinco anos para a equipe da ATLAS alcançar este novo resultado. Uma análise mais aprofundada com a enorme amostra de dados agora disponíveis do LHC permitirá uma maior precisão num futuro próximo.

Um artigo foi publicado no periódico European Physical Journal C.

Fonte: European Organization for Nuclear Research