El detector LHCb del LHC (CERN) no fue diseñado para observar el bosón de Higgs, ni para medir la masa del bosón W. Pero en 2015 se propuso que el ajuste simultáneo de las desintegraciones W → µν, y Z → µµ permitiría que LHCb estimara la masa del bosón W; dicha medida es el complemento ideal de las obtenidas por ATLAS y CMS.  Se acaba de publicar que LHCb ha medido una masa m_W = 80354 ± 23 (stat) ± 10 (exp) ± 17 (theory) ± 9 (PDF) MeV/c², tras analizar 1.7 fb⁻¹ de colisiones a 13 TeV c.m. en el LHC Run 2. El valor está en buen acuerdo con m_W = 80379 ± 12 MeV/c², valor de consenso del Particle Data Group (PDG 2020), y con m_W = 80354 ± 7 MeV/c², estimación teórica obtenida ajustando los observables electrodébiles del modelo estándar. Sin lugar a dudas un gran éxito de LHCb.

El artículo es LHCb collaboration, «Measurement of the W boson mass,» LHCb-PAPER-2021-024, arXiv:2109.01113 [hep-ex] (02 Sep 2021). El artículo que propuso la medida es Giuseppe Bozzi, Luca Citelli, …, Alessandro Vicini, «Prospects for improving the LHC W boson mass measurement with forward muons,» The European Physical Journal C 75: 601 (17 Dec 2015), doi: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-015-3810-1, arXiv:1508.06954 [hep-ex] (27 Aug 2015).

La estimación de la masa del bosón W requiere el ajuste simultáneo de dos tipos de sucesos. Por un lado las desintegraciones W⁺ → µ⁺ν, y W⁻ → µ⁻ν, en los que solo se observa el muón (el neutrino escapa sin ser observado). Esta figura muestra el número de sucesos candidatos en función de la distribución q/pT, donde q es la carga del muón y pT es su momento transversal (perpendicular al haz de protones que colisionan); la forma de esta distribución se ajusta muy a la predicción teórica en las regiones entre líneas verticales punteadas, lo que permite usarla para estimar la masa del bosón W, pero no es suficiente; para una estimación precisa hay que estimar la contribución de las desintegraciones Z → µ⁺µ⁻.

Esta figura muestra la estimación de las desintegraciones de bosones Z en dos muones obtenida por LHCb. Nótese que el máximo son 2000 sucesos, cuando en la figura anterior el máximo rondaba 150 millones de sucesos; la razón es que en la desintegración Z → µµ se han de observar los dos muones de forma simultánea. ¿Para qué es necesaria esta estimación? Para poder estimar la contribución de las desintegraciones Z → µµ en las que solo se observa un único muón, que forman parte del fondo de sucesos de la figura anterior. Así, la combinación de ambas distribuciones de sucesos permite estimar la masa del bosón W. Sin lugar a dudas la estimación mejorará con las colisiones del LHC Run 3 (que se iniciarán el próximo año); mientras tanto, supongo que se publicará la medida combinada de las estimaciones de ATLAS, CMS y LHCb de la masa del bosón W.

¿Por qué es importante la estimación precisa de la masa del bosón W en el LHC? La relación entre las masas del bosón W y el bosón Z, así como entre el bosón W y el quark top, está fijada por el modelo estándar; su medida independiente se considera un importante test de la consistencia del modelo estándar. Así, la estimación de la masa del bosón W es un test de precisión muy relevante para los ajustes teóricos de los parámetros de la teoría electrodébil en el modelo estándar. Esta figura es del artículo del The Gfitter Group, «Update of the global electroweak fit and constraints on two-Higgs-doublet models,» The European Physical Journal C 78: 675 (23 Aug 2018), doi: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-018-6131-3, arXiv:1803.01853 [hep-ph] (05 Mar 2018).