CMS obtiene la medida más precisa de la masa del quark top (171.77 ± 0.38 GeV/c²)

Por Francisco R. Villatoro, el 20 abril, 2022. Categoría(s): Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 5

Muchos físicos teóricos desearían que la masa del quark top tuviera un acoplamiento de Yukawa igual a la unidad. Por bella que sea esta idea, la realidad es que las observaciones apuntan a un valor inferior a la unidad. Se acaba de publicar la medida más precisa de la masa del quark top, 171.77 ± 0.38 GeV/c², obtenida por CMS tras analizar 36 fb⁻¹ de colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. en el LHC  Run 2; la incertidumbre está dominada por errores sistemáticos (la incertidumbre estadística es de solo 0.04 GeV/c²). La medida usa sucesos que contienen un leptón cargado (muón o electrón producto de la desintegración de un bosón W) y al menos cuatro chorros hadrónicos; se ha mejorado mucho la técnica de análisis, pues en 2018 ya se publicó un análisis de CMS con 36 fb⁻¹ del LHC Run 2 que obtuvo 172.25 ± 0.63 GeV/c². El nuevo valor es compatible con el modelo estándar; en justicia dicho resultado debe ser comparado con el valor combinado del Tevatrón (CDF + DZero) de 174.30 ± 0.65 GeV/c², y con los valores previos de 172.69 ± 0.48 GeV/c² (ATLAS) y 172.44 ± 0.48 GeV/c² (CMS) del LHC Run 1 con colisiones a 8 TeV c.m. El valor del PDG 2021 (para la combinación de medidas directas) es de 172.76 ± 0.30 GeV/c².

Por cierto, en la estimación de la masa del quark top se ha usado una masa del bosón W de 80.4 GeV/c², de tal forma que sea irrelevante la diferencia entre la nueva medida de CDF II (80.4335 ± 0.0094 GeV/c²) y la predicción del modelo estándar (80.357 ± 0.006 GeV/c²). De hecho, el nuevo artículo permite estimar la masa del bosón W (véase la figura a la derecha) a partir de la energía de retroceso (estimada a partir de los chorros hadrónicos), pero su incertidumbre es muy grande (comparada con la de CDF II). También hay que destacar que el nuevo artículo ha aparecido en el servidor de preprints del CERN en versión preliminar, no solo todas las figuras están marcadas con «Preliminary» sino que, además, algunos números podrían cambiar en la versión definitiva del artículo. Aún así, te recomiendo leer el artículo (preliminar) de CMS Collaboration, «A profile likelihood approach to measure the top quark mass in the lepton+jets channel at √s=13 TeV,» CMS-PAS-TOP-20-008 [CDS]. Más información divulgativa en CMS collaboration, «CMS measures the mass of the top quark with unparalleled accuracy,» News, CMS, 19 Apr 2022.

Quizás conviene recordar que la masa del quark top es un concepto ambiguo, al menos al compararlo con la masa de un leptón cargado como el electrón. En los colisionadores hadrónicos (como en el nuevo resultado de CMS) la masa del top se estima a partir de una reconstrucción cinemática de los productos de desintegración; a este método se le llama medida directa de la masa del quark top. La mayor fuente de error en este tipo de medida son los errores sistemáticos asociados a las simulaciones por el método de Montecarlo de los sucesos de fondo, por ello esta masa directa se denota mMC. Pero su valor no corresponde a la masa asociada al polo en el propagador del quark top en QCD, llamada mpole, ni tampoco a la masa extrapolada según el esquema de renormalización de la QCD, llamada  mMSR(R), que depende de la escala de energía. Las relaciones entre estas masas están sujetas a cierta incertidumbre; por ejemplo, cuando se asume que mMC = mMSR(1.3 GeV) hay que recordar que la incertidumbre de esta igualdad es de 0.5 GeV/c² (que como observarás es mayor que la incertidumbre del nuevo resultado de CMS). Si te interesa una discusión más detallada de este asunto te recomiendo André H. Hoang, «What is the Top Quark Mass?» Annual Review of Nuclear and Particle Science 70: 225-255 (2020), doi: https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-101918-023530, arXiv:2004.12915 [hep-ph] (27 Apr 2020).

La estimación directa de la masa del quark top depende de la distribución de ángulos para los productos de su desintegración (que se ajustan a los resultados de las simulaciones de Montecarlo). Como muestra la figura de la derecha hay cinco ángulos que se pueden estimar, luego se pueden usar los modelos 1D, 2D, 3D, 4D y 5D que estiman entre uno y cinco de dichos ángulos; como muestra la figura de la izquierda, la incertidumbre es menor cuando se estiman cinco ángulos (5D), pero el análisis es mucho más complicado. En el ajuste 1D solo se estima el ángulo (cos θ); en el 2D se estiman los ángulos (cos θ, Φ1); en el 3D se estiman (cos θ1, cos θ2, Φ); en el 4D son (cos θ, cos θ1, cos θ2, Φ); y en el 5D (cos θ, Φ1, cos θ1, cos θ2, Φ). Más detalles en Yanyan Gao, Andrei V. Gritsan, …, Nhan V. Tran, «Spin determination of single-produced resonances at hadron colliders,» Phys. Rev. D 81: 075022 (2010), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.81.075022, arXiv:1001.3396 [hep-ph] (19 Jan 2010).

Se han usado tres canales de desintegración con un leptón y al menos cuatro chorros hadrónicos, llamadas e+jets, μ+jets y el combinado ℓ+jets (ver la parte izquierda de la figura), con los cinco modelos de ajuste angular (1D, 2D, …, 5D). Como muestra la parte izquierda de la figura, en el ajuste angular 5D se ha estimado una masa de 171.92 ± 0.47 GeV/c² en el canal electron+jets, de 171.96 ± 0.43 GeV/c² en el canal muon+jets, y 171.77 ± 0.38 GeV/c² en el canal combinado lepton+jets. Además, en los colisionadores hadrónicos las colisiones son muy «sucias», con lo que hay una gran producción de partones (tanto quarks como gluones) de baja energía entre los productos de la desintegración, que se suelen llamar FSR (radiación en el estado final). La estimación de la masa del quark top se ve influida por la cantidad de esta radiación, crece con ella, como muestra la parte derecha de esta figura.

En resumen, la estimación de la masa del quark top en un colisionador hadrónico es muy complicada, por lo que ofrecer un único valor combinado siempre es complicado. A pesar de ello, el nuevo resultado de CMS, la estimación más precisa publicada hasta ahora, con solo un 0.22 %, es todo un hito. Máxime cuando se han usado las mismas colisiones que se usaron en su estimación previa de 2018. Supongo que no faltará mucho para la publicación de un resultado con incertidumbre similar por parte de su competencia, ATLAS. Habrá que estar al tanto.



5 Comentarios

  1. Qué tal Francis,

    dices:

    «Por cierto, en la estimación de la masa del quark top se ha usado una masa del bosón W de 80.4 GeV/c², de tal forma que sea irrelevante la diferencia entre la nueva medida de CDF II (80.4335 ± 0.0094 GeV/c²) y la predicción del modelo estándar (80.357 ± 0.006 GeV/c²)»

    Pues no entiendo nada… ¿Qué se pretende con esto? ¿No sería lo normal usar el valor del ultimo PDG? ¿Se le pretende dar credibilidad a ese último valor CDF II?

    1. José, no siempre hay que usar todos los dígitos disponibles de los parámetros que se usan en un problema físico; como el bosón W se desintegra en un leptón y un neutrino, y el neutrino no se observa, el error en la estimación de su energía es tan grande que permite usar un valor de la masa del bosón W con solo tres dígitos significativos (no se gana nada poniendo más dígitos).

      1. Gracias Francis, pero ahora me he liado más ¿Entopnces porqué tanto revuelo si al final parece dar lo mismo el tema de los decimales por esa gran incertidumbre respecto al neutrino?

        1. José, la masa del W determina la constante de acoplamiento electrodébil que influye en la tasa de desintegración de todas las partículas, para muchas de ellas determinadas con suficiente precisión como para que dicho cambio hubiera tenido que ser observado (y no lo ha sido). Por supuesto, no influye en todas, como en las que no se han medido con la precisión necesaria para ver esta diferencia, como el quark top.

  2. ola, estos últimos días no podía dormir,
    estaba un poco nervioso,no sé si me pase
    un poco con el vino o al leer unas noticias.
    Pero encontré un buen artículo:
    «Calcula tu defecto de masa atómica en número de bombas de Hiroshima»
    y a la velocidad del rayo calculé mi defecto de masa.
    Después dormí como un niño toda la noche.

    Hoy, leo otro artículo de Avi Loeb,
    alguien podría decirle algo al oído.

    Un saludo y gracias.

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