La masa del bosón W más precisa jamás medida es diferente de la predicción del modelo estándar

La medición más precisa jamás realizada de la masa del bosón W muestra la tensión con el modelo estándar.

Después de 10 años de análisis y escrutinio cuidadosos, los científicos de la FCD del Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. anunciaron el 7 de abril de 2023 que habían logrado la medición más precisa hasta el momento de la masa del bosón W, uno de los factores de fuerza de la naturaleza. partículas portadoras. Utilizando los datos recopilados por el detector de colisión de Fermilab, o CDF, los científicos ahora han determinado la masa de la partícula con una precisión del 0,01%, el doble de la precisión de la mejor medición anterior. Corresponde a un gorila con un peso de 800 libras a 1,5 onzas.

La nueva báscula de precisión publicada en la revista Ciencia, permite a los científicos probar el modelo estándar de la física de partículas, el marco teórico que describe la naturaleza en su nivel más básico. El resultado: el nuevo valor de masa muestra una tensión con el valor que obtienen los científicos utilizando entradas teóricas y experimentales en el contexto del modelo estándar.

El detector del colisionador Fermilab registró las colisiones de partículas de alta energía generadas por el Colisionador Tevatron entre 1985 y 2011. Unos 400 científicos de 54 instituciones en 23 países todavía están trabajando en la gran cantidad de datos recopilados por el experimento. Crédito: Fermilab

“La cantidad de mejoras y validaciones adicionales que se han hecho a nuestros resultados es enorme”, dijo Ashutosh V. Kotwal de la Universidad de Duke, quien dirigió este análisis y es uno de los 400 científicos de la colaboración de la CDF. “Tuvimos en cuenta nuestra mejor comprensión de nuestro detector de partículas, así como los avances en la comprensión teórica y experimental de las interacciones del bosón W con otras partículas. Cuando finalmente revelamos el resultado, descubrimos que difería de la predicción del modelo estándar. “

De confirmarse, esta medida indica la potencial necesidad de mejoras a expensas del Modelo Estándar o ampliaciones del Modelo.

Los científicos ahora han determinado la masa del bosón W con una precisión del 0,01%. Esto es el doble de la precisión de la mejor medición anterior y muestra tensión con el modelo estándar.

El nuevo valor es consistente con muchas mediciones previas de la masa del bosón W, pero también hay algunas diferencias. Se necesitarán mediciones futuras para arrojar más luz sobre el resultado.

“Si bien este es un resultado interesante, la medición debe ser confirmada por otro experimento antes de que pueda explicarse por completo”, dijo el director adjunto de Fermilab, Joe Lykken.

El bosón W es una partícula mensajera de la fuerza nuclear débil. Es responsable de los procesos nucleares que hacen que el sol brille y las moléculas se descompongan. Usando colisiones de partículas de alta energía del colisionador Tevatron en Fermilab, la colaboración CDF recolectó cantidades masivas de datos que contenían bosones W desde 1985 hasta 2011.

El bosón W es la partícula mensajera de la fuerza nuclear débil. Es responsable de los procesos nucleares que hacen que el sol brille y las moléculas se descompongan. Los científicos de la FCD están estudiando las propiedades del bosón W utilizando los datos que recopilaron en el Tevatron Collider en Fermilab. Crédito: Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi

El físico de la FCD Chris Hayes de[{” attribute=””>University of Oxford said, “The CDF measurement was performed over the course of many years, with the measured value hidden from the analyzers until the procedures were fully scrutinized. When we uncovered the value, it was a surprise.”

The mass of a W boson is about 80 times the mass of a proton, or approximately 80,000 MeV/c². CDF researchers have worked on achieving increasingly more precise measurements of the W boson mass for more than 20 years. The central value and uncertainty of their latest mass measurement is 80,433 +/- 9 MeV/c². This result uses the entire dataset collected from the Tevatron collider at Fermilab. It is based on the observation of 4.2 million W boson candidates, about four times the number used in the analysis the collaboration published in 2012.

The mass of a W boson is about 80 times the mass of a proton, or approximately 80,000 MeV/c2. Scientists of the Collider Detector at Fermilab collaboration have achieved the world’s most precise measurement. The CDF value has a precision of 0.01 percent and is in agreement with many W boson mass measurements. It shows tension with the value expected based on the Standard Model of particle physics. The horizontal bars indicate the uncertainty of the measurements achieved by various experiments. The LHCb result was published after this paper was submitted and is 80354+- 32 MeV/c2. Credit: CDF collaboration

“Many collider experiments have produced measurements of the W boson mass over the last 40 years,” said CDF co-spokesperson Giorgio Chiarelli, Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN-Pisa). “These are challenging, complicated measurements, and they have achieved ever more precision. It took us many years to go through all the details and the needed checks. It is our most robust measurement to date, and the discrepancy between the measured and expected values persists.”

The collaboration also compared their result to the best value expected for the W boson mass using the Standard Model, which is 80,357 ± 6 MeV/c². This value is based on complex Standard Model calculations that intricately link the mass of the W boson to the measurements of the masses of two other particles: the top quark, discovered at the Tevatron collider at Fermilab in 1995, and the Higgs boson, discovered at the Large Hadron Collider at CERN in 2012.

CDF co-spokesperson David Toback, Texas A&M University, stated the result is an important contribution to testing the accuracy of the Standard Model. “It’s now up to the theoretical physics community and other experiments to follow up on this and shed light on this mystery,” he added. “If the difference between the experimental and expected value is due to some kind of new particle or subatomic interaction, which is one of the possibilities, there’s a good chance it’s something that could be discovered in future experiments.”

Reference: “High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector” by CDF Collaboration, T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, J. A. Appel, T. Arisawa, A. Artikov, J. Asaadi, W. Ashmanskas, B. Auerbach, A. Aurisano, F. Azfar, W. Badgett, T. Bae, A. Barbaro-Galtieri, V. E. Barnes, B. A. Barnett, P. Barria, P. Bartos, M. Bauce, F. Bedeschi, S. Behari, G. Bellettini, J. Bellinger, D. Benjamin, A. Beretvas, A. Bhatti, K. R. Bland, B. Blumenfeld, A. Bocci, A. Bodek, D. Bortoletto, J. Boudreau, A. Boveia, L. Brigliadori, C. Bromberg, E. Brucken, J. Budagov, H. S. Budd, K. Burkett, G. Busetto, P. Bussey, P. Butti, A. Buzatu, A. Calamba, S. Camarda, M. Campanelli, B. Carls, D. Carlsmith, R. Carosi, S. Carrillo, B. Casal, M. Casarsa, A. Castro, P. Catastini, D. Cauz, V. Cavaliere, A. Cerri, L. Cerrito, Y. C. Chen, M. Chertok, G. Chiarelli, G. Chlachidze, K. Cho, D. Chokheli, A. Clark, C. Clarke, M. E. Convery, J. Conway, M. Corbo, M. Cordelli, C. A. Cox, D. J. Cox, M. Cremonesi, D. Cruz, J. Cuevas, R. Culbertson, N. d’Ascenzo, M. Datta, P. de Barbaro, L. Demortier, M. Deninno, M. D’Errico, F. Devoto, A. Di Canto, B. Di Ruzza, J. R. Dittmann, S. Donati, M. D’Onofrio, M. Dorigo, A. Driutti, K. Ebina, R. Edgar, A. Elagin, R. Erbacher, S. Errede, B. Esham, S. Farrington, J. P. Fernández Ramos, R. Field, G. Flanagan, R. Forrest, M. Franklin, J. C. Freeman, H. Frisch, Y. Funakoshi, C. Galloni, A. F. Garfinkel, P. Garosi, H. Gerberich, E. Gerchtein, S. Giagu, V. Giakoumopoulou, K. Gibson, C. M. Ginsburg, N. Giokaris, P. Giromini, V. Glagolev, D. Glenzinski, M. Gold, D. Goldin, A. Golossanov, G. Gomez, G. Gomez-Ceballos, M. Goncharov, O. González López, I. Gorelov, A. T. Goshaw, K. Goulianos, E. Gramellini, C. Grosso-Pilcher, J. Guimaraes da Costa, S. R. Hahn, J. Y. Han, F. Happacher, K. Hara, M. Hare, R. F. Harr, T. Harrington-Taber, K. Hatakeyama, C. Hays, J. Heinrich, M. Herndon, A. Hocker, Z. Hong, W. Hopkins, S. Hou, R. E. Hughes, U. Husemann, M. Hussein, J. Huston, G. Introzzi, M. Iori, A. Ivanov, E. James, D. Jang, B. Jayatilaka, E. J. Jeon, S. Jindariani, M. Jones … P. Wagner, R. Wallny, S. M. Wang, D. Waters, W. C. Wester, D. Whiteson, A. B. Wicklund, S. Wilbur, H. H. Williams, J. S. Wilson, P. Wilson, B. L. Winer, P. Wittich, S. Wolbers, H. Wolfmeister, T. Wright, X. Wu, Z. Wu, K. Yamamoto, D. Yamato, T. Yang, U. K. Yang, Y. C. Yang, W.-M. Yao, G. P. Yeh, K. Yi, J. Yoh, K. Yorita, T. Yoshida, G. B. Yu, I. Yu, A. M. Zanetti, Y. Zeng, C. Zhou and S. Zucchelli, 7 April 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.abk1781

The CDF collaboration comprises 400 scientists at 54 institutions in 23 countries.