ATLAS observa con 8.4 sigmas la producción de un par de bosones W a partir de la «colisión» de dos fotones

Por Francisco R. Villatoro, el 5 agosto, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Seguro que sabes que los sables de luz de Star Wars no pueden existir porque los fotones no colisionan entre sí mediante la interacción electromagnética. Sin embargo, la unificación electrodébil permite que la «colisión» de un par de fotones produzca un par de bosones W (proceso γγ → W+W). La colaboración ATLAS del LHC (CERN) publica la observación con 8.4 sigmas de este fenómeno tras analizar 139 /fb de colisiones protón contra protón a 13 TeV c.m. en el LHC Run 2. Este proceso es muy improbable, su sección eficaz es de 3.13 ± 0.42 fb, y en ATLAS hay que usar sucesos con solo un electrón y un muón de carga opuesta de gran momento lineal transversal; como los bosones W se desintegran en un neutrino y un leptón cargado, dichos leptones vienen acompañados de un nuetrino electrónico y un neutrino muónico que se observan como pérdidas de energía en el análisis cinemático de la colisión.

Por supuesto, me dirás que la electrodinámica de medios continuos permite la existencia de sables de luz; en un medio con respuesta óptica no lineal (como muchos cristales cuando son atravesados por haces intensos de luz láser) se acoplan los «fotones» de ambos haces gracias a su interacción con el medio. Por desgracia, el aire no es un medio no lineal, así que los sables de luz son imposibles como se ven en la famosa space opera. Por cierto, los primeros indicios de la interacción γγ → WW fueron observados por ATLAS (3.0 sigmas) y CMS (3.4 sigmas) en el LHC Run 1 (2011–2012) con colisiones a 7 TeV y 8 TeV. Sin embargo, han sido necesaria la gran luminosidad integrada alcanzada por el LHC Run 2 (2015–2018) para que ATLAS logre superar las cinco sigmas (pronto también lo publicará CMS).

El resultado se ha anunciado en el ICHEP 2020, siendo el artículo ATLAS Collaboration, «Observation of photon-induced W+W production in pp collisions at √s=13 TeV using the ATLAS detector,» ATLAS-CONF-2020-038 (29 Jul 2020); más información en «ATLAS observes W-boson pair production from light colliding with light,» News, ATLAS, 05 Aug 2020.

Este suceso ilustra una colisión típica de tipo γγ → WW → μ νμ e νe. El muón se observa como una línea roja (hacia la izuierda) que atraviesa los espectrómetros de muones (en azul) y el electrón como la gran barra amarilla (parte superior) en los calorímetros electromagnéticos. Las líneas naranjas representan las trayectorias de otras partículas cargadas de menor energía (debidas a entre 20 y 60 colisiones protón-protón adicionales, el llamado pile-up o apilado de colisiones, LCMF, 25 jul 2012). y las pequeñas barritas amarillas la energía que han depositado en los calorímetros electromagnéticos. Un punto clave en la identificación de este suceso es la asimetría de los productos (observa los recuadros en la parte superior); ni la línea roja del muón ni la línea amarilla del electrón están equilibradas, con lo que falta energía en forma de neutrinos (muónico y electrónico, resp.) que no se dejan trazas ni depositan energía en los detectores.

La observación de este tipo de colisiones dominadas por la interacción electromagnética en lugar de la interacción fuerte requiere que los protones «colisionen» de forma «ultraperiférica», es decir, casi sin rozarse; así se producen fotones virtuales de gran energía que pueden producir pares de bosones W (sobre si los bosones W+ y W son una pareja de partícula y de antipartícula, o si no lo son, recomiendo leer mi pieza «Las antipartículas de los bosones gauge», LCMF, 26 nov 2017). Los bosones W se observan mediante su desintegración en un neutrino y un leptón cargado (electrón o muón); la desintegración del W+ y del W produce un leptón y un antileptón; como las colisiones ultraperiféricas son poco energéticas, se observa un electrón (o positrón) y un antimuón (o muón).

ATLAS ha observado 307 sucesos que cumplen con los criterios de selección para la búsqueda de sucesos γγ → WW; en concreto, que el momento lineal transversal del electrón y el del muón de carga opuesta superen 27 GeV/c, y que la masa invariante para la pareja supere los 20 GeV/c². Por cierto, los sucesos γγ → WW → ℓℓ, con dos leptones del mismo «sabor» (dos electrones o dos muones) se han descartado porque contribuyen menos del 1 % a las desintegraciones del par WW y se pueden confundir con desintegraciones Z → ℓℓ.

Las predicciones del modelo estándar para los sucesos de fondo (background) indican que de los 307 sucesos observados solo 174 son candidatos a γγ → WW; se muestran en este histograma del números de sucesos en función del momento lineal transversal de la pareja eμ en la región blanca bajo los puntos con barras de error (los sucesos de fondo corresponden a las regiones coloreadas). La sección eficaz para la desintegración γγ → WW se estima en 3.13 ± 0.31(stat.) ± 0.28(syst.) fb; eso significa que entre los 30 billones de colisiones protón-protón que ocurren en el LHC durante un día típico de toma de datos en 2018 solo se observan uno o dos sucesos de tipo γγ → WW, de ahí que se califique como suceso «raro».



2 Comentarios

  1. Francis, me llamo la atención que con un par de fotones se lograra ma emisión de un par de bosones W – W,
    Cuan energético deben ser esos fotones para lograr emitir bosones con u a masa muy superior ?

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