CMS observa la producción de tres bosones vectoriales con 5.7 sigmas

Por Francisco R. Villatoro, el 6 octubre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 8

El detector CMS del LHC en el CERN ha observado la producción de tres bosones vectoriales pp → VVV, con V = W o Z, tras analizar 137 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones protón contra protón a 13 TeV c.m. Se han observado sucesos con tres, cuatro, cinco y seis leptones, que corresponden a la producción WWW, WWZ, WZZ y ZZZ, respectivamente. Se han alcanzado 5.7 sigmas de significación estadística con una sección eficaz de producción de 1.02+0.26−0.23, en perfecto acuerdo con la predicción del modelo estándar. En particular, se han alcanzado 3.3 y 3.4 sigmas para la producción WWW y WWZ, resp. La primera vez que se alcanzan cinco sigmas es, sin lugar a dudas, todo un hito; otro más que se alcanza en el LHC.

Te recuerdo que los bosones vectoriales Z0 (con masa 91.2 GeV/c2) se observan mediante su desintegración en una pareja de leptones (electrón-positrón, muón-antimuón, tau-antiau) y que los bosones vectoriales W± (con masa 80.4 GeV/c2) se observan mediante su desintegración en un leptón y su correspondiente neutrino. El suceso mostrado en la figura contiene 5 leptones, luego corresponde a la producción pp → WZZ; en concreto, se observa un chorro hadrónico (jet en naranja) en dirección opuesta a un positrón (línea verde marcada con 55 GeV) y un neutrino electrónico (pérdida de energía de 192 GeV en color rosa), junto a dos pares electrón-positrón (líneas en verde marcadas con 30+82 GeV y con 59+68 GeV); en amarillo aparecen las trayectorias de partículas cargadas de menor energía irrelevantes para este suceso. La figura indica las energías en el centro de masas de los tres bosones, Z1 = 91 GeV, Z2 = 92 GeV y W+ = 65 GeV (este último un bosón virtual).

El artículo se ha publicado en CMS Collaboration (A. M. Sirunyan et al.), «Observation of the Production of Three Massive Gauge Bosons at √s=13  TeV,» Physical Review Letters 125: 151802 (05 Oct 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.151802, arXiv:2006.11191 [hep-ex] (19 Jun 2020); recomiendo leer

Se estima que el modelo estándar predice (a segundo orden o NLO) una sección eficaz de 509, 354, 91.6 y 37.1 fb (femtobarns) para la producción de WWW, WWZ, WZZ y ZZZ en las colisiones de protones a 13 TeV c.m.; con una luminosidad integrada de 137 /fb la significación estadística obtenida para la observación de la producción WZZ y, sobre todo, ZZZ es muy baja. Esta tabla muestra el número de sucesos de diferente tipo que se han identificado sobre el fondo de ruido predicha por el modelo estándar; como puedes ver se han observado ~1000 sucesos VVV sobre un fondo de ~370. Como puedes ver no hay ninguna garantía de que alguno de los sucesos tipo ZZZ (con seis leptones) corresponda a la producción de tres bosones Z. Con las colisiones acumuladas por el LHC Run 2 no se puede esperar mucho más.

El LHC Run 3 debería acumular diez veces más colisiones que el LHC Run 2. Gracias a ello debería ser capaz de observar la producción ZZZ con al menos tres sigmas. Quizás te parezca que tiene poco mérito comprobar las predicciones del modelo estándar; sin embargo, este tipo de análisis son muy complicados y han de ser realizados, pues en estos procesos tan difíciles de observar se pueden ocultar desviaciones o anomalías que podrían apuntar a nueva física. Si no los estudiamos, nunca sabremos si las ocultan o no.

Esta figura resume los resultados obtenidos para la intensidad de la señal (signal strength), el cociente μ entre la sección eficaz de producción observada multiplicada por la probabilidad del canal (branching ratio) todo ello dividido entre las predicciones para estas magnitudes según el modelo estándar.  Se estima que μWWW = 1.15+0.45−0.40, μWWZ = 0.86+0.35−0.31, μWZZ = 2.24+1.92−1.25, y μZZZ = 0.0+1.30−0.00, que conducen a un valor combinado de μVVV = 1.02+0.26−0.23, en buen acuerdo con la predicción del modelo estándar. Sin lugar a dudas un nuevo resultado del LHC, en concreto de CMS, que merece la pena divulgar en este blog.



8 Comentarios

  1. Gracias.Yo Pascual Jiménez ,vendedor ambulante con estudios mínimos.llevo solo 3años acercándome a la física .y gracias a gente como Javier santaolalla o Crespo de fracktumquantum que conceptualmente nos van acercando a los conceptos básicos.vamos avanzando.pero lo tullo es bestial .ahora no me parece tan denso sino cierto. Me sorprende el resultado de lhc.claro yo no lo esperaba.tres bosones vectoriales. PREGUNTA( cuál sería la luminosidad suficiente en el lHC para conseguir al menos entre 4,9 y 5,1 sigmas en la observación de ZZZ?)

    1. Pascual, el cálculo no es fácil, pues depende del fondo, que es difícil de estimar. Olvidemos el fondo y usemos la «cuenta de la vieja»: el cociente de las secciones eficaces WWW/ZZZ = 509/37 = 14, permite estimar que se necesitan 14 veces más colisiones; se lograron ~3 sigmas en WWW con 137/fb, así que para ~3 sigmas en ZZZ se requieren unos 2000/fb; para obtener ~5 sigmas en WWW serán necesario multiplicar ~5/3 las colisiones (si el fondo escalase de forma lineal, lo que no es cierto), unos 230/fb para WWW y unos 3200/fb para ZZZ. Todo ello con el LHC a 13 TeV.

      El LHC Run 3 debería ser a 14 TeV y debería obtener unos 300/fb, así que logrará observar a 5 sigmas WWW pero no podrá hacerlo con ZZZ. El HL-LHC a 14 TeV debería obtener unos 3000/fb, con lo que podrá observar ZZZ a 5 sigmas (eso sí, alrededor de 2040).

      Estos cálculos son muy burdos, pero te dan una idea aproximada.

  2. Francis, algo no me cuadra. A ver si me lo puedes aclarar.
    Cogiendo de la figura, el bosón W, dice que su energía es 65 Gev. La masa en reposo del W es 80,4 Gev, luego la suma es 145,4 Gev.
    ¿Cómo es posible pues que se desintegre en un positrón de 55 Gev mas un neutrino de 192 Gev (total 247 Gev, mayor energía que la W de donde se desintegro).?

    No se si tendrá que ver que sea virtual, pero que yo sepa tanto la energía como el momento se conserva en procesos virtuales, solo que no se cumple la ecuación E^2=p^2+m^2, por estar fuera de capa de masas. En fin, si me aclaras esto te estaría muy agradecido. Gracias de antemano.

  3. Ok Francis. Y otra cosilla que tampoco entiendo del articulo.
    En la tabla de cross section entiendo que los números que se dan son los sucesos observados. Pero multiplicando las secciones eficaces que das justo abajo por los 137 /fb me dan números mucho mas altos que los de la tabla, del orden de 100 veces mas. ¿No serán erróneas estas secciones eficaces? ¿o algo entiendo yo mal?

  4. Tremendo éxito ha resultado ser el LHC, que buena inversión, y que gran trabajo hace todo su grupo de investigadores felicitaciones!. Gracias Francis por la reseña.

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