Visualização de um evento de colisão ATLAS no qual um bóson candidato W decai em um múon e um neutrino. As trilhas reconstruídas das partículas carregadas na parte interna do detector ATLAS são mostradas como linhas laranja. Os depósitos de energia nos calorímetros do detector são mostrados como caixas amarelas. O múon identificado é mostrado como uma linha vermelha. O momento transversal ausente associado ao neutrino é mostrado como uma linha tracejada verde. Crédito:ATLAS/CERN A descoberta do bóson de Higgs em 2012 colocou a última peça que faltava no quebra-cabeça do Modelo Padrão. No entanto, deixou questões persistentes. O que está além deste quadro? Onde estão os novos fenómenos que resolveriam os mistérios restantes do universo, como a natureza da matéria escura e a origem da assimetria matéria-antimatéria?
Um parâmetro que pode conter pistas sobre novos fenômenos físicos é a “largura” do bóson W, o portador eletricamente carregado da força fraca. A largura de uma partícula está diretamente relacionada ao seu tempo de vida e descreve como ela decai em outras partículas. Se o bóson W decair de maneiras inesperadas, como em novas partículas ainda a serem descobertas, estas influenciarão a largura medida.
Como o Modelo Padrão prevê com precisão o seu valor com base na força da força fraca carregada e na massa do bóson W (juntamente com efeitos quânticos menores), qualquer desvio significativo da previsão indicaria a presença de fenómenos não contabilizados.
Em um novo estudo publicado no arXiv servidor de pré-impressão, a colaboração ATLAS mediu a largura do bóson W no Large Hadron Collider (LHC) pela primeira vez. A largura do bóson W já havia sido medida no colisor Large Electron-Positron (LEP) do CERN e no colisor Tevatron do Fermilab, produzindo um valor médio de 2.085 ± 42 milhões de elétronvolts (MeV), consistente com a previsão do modelo padrão de 2.088 ± 1 MeV. .
Usando dados de colisão próton-próton com uma energia de 7 TeV coletados durante a Execução 1 do LHC, o ATLAS mediu a largura do bóson W como 2.202 ± 47 MeV. Esta é a medição mais precisa feita até à data por uma única experiência e – embora um pouco maior – é consistente com a previsão do Modelo Padrão com uma margem de erro de 2,5 desvios padrão (ver figura abaixo).
Este resultado notável foi alcançado através da realização de uma análise detalhada do momento das partículas dos decaimentos do bóson W num electrão ou num múão e no seu neutrino correspondente, que não é detectado mas deixa uma assinatura de energia em falta no evento de colisão (ver imagem acima). Isso exigiu que os físicos calibrassem com precisão a resposta do detector ATLAS a essas partículas em termos de eficiência, energia e momento, levando em consideração as contribuições dos processos de fundo.
No entanto, alcançar uma precisão tão elevada também requer a confluência de vários resultados de alta precisão. Por exemplo, uma compreensão precisa da produção do bóson W em colisões próton-próton era essencial, e os pesquisadores confiaram em uma combinação de previsões teóricas validadas por várias medições das propriedades dos bósons W e Z.
Também crucial para esta medição é o conhecimento da estrutura interna do próton, que é descrita nas funções de distribuição do párton. Os físicos do ATLAS incorporaram e testaram funções de distribuição de pártons derivadas de grupos de pesquisa globais a partir de dados de ajuste de uma ampla gama de experimentos de física de partículas.
A colaboração ATLAS mediu a largura do bóson W simultaneamente com a massa do bóson W usando um método estatístico que permitiu que parte dos parâmetros que quantificam as incertezas fossem diretamente restringidos dos dados medidos, melhorando assim a precisão da medição.
A medição atualizada da massa do bóson W é 80.367 ± 16 MeV, o que melhora e substitui a medição ATLAS anterior usando o mesmo conjunto de dados. Os valores medidos da massa e da largura são consistentes com as previsões do Modelo Padrão.
Espera-se que futuras medições da largura e massa do bóson W usando conjuntos de dados ATLAS maiores reduzam as incertezas estatísticas e experimentais. Ao mesmo tempo, os avanços nas previsões teóricas e uma compreensão mais refinada das funções de distribuição dos pártons ajudarão a reduzir as incertezas teóricas. À medida que as suas medições se tornam cada vez mais precisas, os físicos serão capazes de realizar testes ainda mais rigorosos do Modelo Padrão e sondar novas partículas e forças.
