CMS (LHC) mide la desintegración invisible del bosón Z con un error similar a LEP

Por Francisco R. Villatoro, el 25 julio, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

El número de neutrinos ligeros fue estimado por LEP (CERN) en Nν = 2.9840 ± 0.0082. Se basó en el cociente Γinvℓℓ, con Γinv = Nν Γνν, entre las anchuras de desintegración del bosón Z en canales «invisibles» (Γinv) y  en leptones cargados (Γℓℓ). La desintegración en neutrinos es «invisible» porque no se pueden usar detectores de neutrinos, solo se observan pérdidas de energía. La Colaboración CMS del LHC acaba de publicar una estimación de Γinv = 523 ± 16 MeV, cuyo error es comparable a la de LEP, Γinv = 503 ± 16 MeV. No se ha publicado la estimación de CMS para el número de neutrinos ligeros (con masa inferior a la mitad de la masa del bosón Z, es decir, mν < 45.6 GeV/c²); como el valor central de CMS está más lejos de la predicción del modelo estándar que el de LEP, dicha estimación tendrá mayor error. En cualquier caso, resulta muy sorprendente que un detector de un colisionador hadrónico (LHC) pueda obtener un resultado con un error similar al de un colisionador leptónico (LEP).

Te recuerdo que LEP (Large Electron Positron collider, o Gran Colisionador Electrón-Positrón) ocupaba el mismo túnel que ahora ocupa el LHC (Large Hadron Collider, o Gran Colisionador de Hadrones), pero fue clausurado en noviembre de 2000, tras casi 12 años de operación. LEP estaba considerado un fábrica de bosones Z (cuyo descubrimiento fue anunciado en 1983 por los detectores de SPS (CERN), llamados UA1 y UA2); LEP tenía cuatro detectores llamados ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL, de los que tres (ALEPH, L3 y OPAL) podían estudiar las desintegraciones de los bosones Z. Por contra, LHC está considerado una fábrica de quarks top (cuyo descubrimiento fue anunciado en 1995 por los detectores del Tevatron (Fermilab), llamados CDF y DZero); LHC tiene cuatro detectores principales llamados CMS, ATLAS, LHCb y ALICE, pero solo dos (CMS y ATLAS) pueden estudiar las desintegraciones de los bosones Z. Pocos esperábamos que un detector del LHC pudiera igualar a LEP en una medida directa de la anchura de las desintegraciones invisibles de bosones Z. Y mucho menos que un único detector (CMS) llegara a hacerlo.

Un gran hito de CMS tras analizar 36.3 fb⁻¹ de colisiones a 13 TeV c.m. en el LHC Run 2. Su estimación directa de Γinv = 523 ± 3 (stat) ± 16 (syst) MeV, está dominada por los errores sistemáticos. En el LHC Run 3, que se iniciará en 2022 y pretende duplicar la luminosidad integrada alcanzada en el LHC Run 2, se logrará reducir los errores estadísticos, pero no creo que se puedan mejorar mucho los errores sistemáticos. Por ello creo que no debo engañar a nadie, me parece imposible que en el LHC se llegue a superar la medida indirecta obtenida a partir de los datos de colisiones de LEP, Γinv = 499 ± 1.5 MeV (por cierto, la predicción del modelo estándar es 501.44 ± 0.04 MeV). El nuevo artículo es CMS Collaboration, «Precision measurement of the Z invisible width with the CMS experiment in pp collisions at √s=13 TeV,» CMS-PAS-SMP-18-014 (10 Jul 2021).

Esta figura muestra las desintegraciones de bosones Z estudiadas, tanto en neutrinos (energía perdida), como en muones y electrones. El ajuste a las predicciones teóricas es realmente espectacular. Gracias a ello se podido obtener una estimación con un error comparable al de LEP. No sé si ATLAS podrá obtener una medida con un error comparable, y en su caso cuánto mejorará la estimación al combinar ATLAS y CMS. Habrá que estar al tanto de estos futuros análisis.



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