La reciente detección de la producción de bosones W longitudinalmente polarizados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) representa un avance significativo en la comprensión de cómo se rompió la simetría electrodébil primordial, un fenómeno que da origen a las masas de las partículas elementales. Este hallazgo fue presentado por la colaboración ATLAS en la conferencia Rencontres de Moriond, y se basa en un extenso conjunto de datos de colisiones de protones recolectados durante la segunda fase de operaciones del LHC, que tuvo lugar entre 2015 y 2018 a una energía de 13 TeV.
Desde el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 por las colaboraciones ATLAS y CMS en el CERN, la física de partículas ha avanzado en el entendimiento de un campo misterioso que permite a las partículas elementales adquirir su masa. Este proceso es regulado por un mecanismo delicado conocido como ruptura de simetría electrodébil, propuesto por primera vez en 1964 y que sigue siendo uno de los fenómenos menos comprendidos del Modelo Estándar de la física de partículas.
Ruptura de Simetría Electrodébil
En el Modelo Estándar, las interacciones electromagnéticas y débiles son dos aspectos de una misma entidad, unificadas como interacción electrodébil. Se cree que esta interacción prevaleció en los instantes posteriores al Big Bang, cuando el universo era extremadamente caliente. Sin embargo, la simetría entre ambas interacciones se rompió, ya que los portadores de la interacción débil, los bosones W y Z, son masivos, mientras que el fotón, que media la interacción electromagnética, es sin masa.
La ruptura de esta simetría se realiza en el Modelo Estándar a través del mecanismo de Brout-Englert-Higgs (BEH). La detección del bosón de Higgs proporcionó la primera confirmación experimental de este mecanismo. El siguiente paso crucial consiste en medir las propiedades de esta nueva partícula, en particular, la intensidad de su interacción con otras partículas elementales. Actualmente, se están llevando a cabo estas mediciones con el objetivo de confirmar que las masas de las partículas de materia elemental son también el resultado de su interacción con el campo BEH.
Sin embargo, el mecanismo BEH también conlleva otras predicciones. En particular, es fundamental medir dos procesos para confirmar que el mecanismo se desarrolla tal como predice el Modelo Estándar: la interacción entre los bosones W o Z longitudinalmente polarizados y la interacción del bosón de Higgs consigo mismo. Si bien se espera que los estudios sobre la auto-interacción del Higgs sean posibles a partir del Alto Luminosidad LHC, que comenzará a operar en 2030, se anticipa que los primeros estudios sobre la dispersión de bosones gauge longitudinalmente polarizados podrían realizarse antes.
La interacción WL-WL puede ser estudiada experimentalmente en colisiones de protones mediante un proceso denominado dispersión de bosones vectoriales (VBS). Este proceso puede visualizarse como un quark en cada uno de los protones entrantes emitiendo un bosón W, y esos dos bosones W interactuando entre sí, produciendo un par de bosones W o Z. Para identificar el proceso VBS, se buscan colisiones que contengan los productos de descomposición de los dos bosones junto con los quarks que participaron en la interacción, formando dos chorros de partículas que se dirigen en direcciones opuestas.
El nuevo análisis de ATLAS se centra en colisiones en las que los dos bosones W se descomponen en un electrón o un muón y sus respectivos neutrinos. Para suprimir los antecedentes, principalmente de procesos que involucran la producción de pares de quarks top, se requiere que ambos leptones tengan la misma carga eléctrica. La firma experimental consiste, por tanto, en un par de leptones de carga igual (electrón-electrón, muón-muón o electrón-muón), dos «chorros» de partículas producidos por las descomposiciones de los quarks y la energía faltante proveniente de los neutrinos indetectables.
Una vez seleccionados los candidatos para el proceso VBS, es necesario determinar la polarización de los bosones W. Este es un desafío considerable que solo se puede lograr mediante un análisis exhaustivo de las correlaciones entre las direcciones de los electrones y muones reconstruidos y las propiedades de otras partículas producidas en la interacción. Redes neuronales dedicadas han sido entrenadas para distinguir entre polarización transversal y longitudinal, lo que ha permitido extraer el resultado final: evidencia con una significancia estadística de 3.3 sigma de que al menos uno de los dos bosones W estaba longitudinalmente polarizado.
Yusheng Wu, el coordinador del grupo del Modelo Estándar de ATLAS, afirmó: «Esta medición es un hito en los estudios del valor físico central a través de interacciones de bosones polarizados en procesos de dispersión de bosones vectoriales. Marca un camino hacia el eventual estudio de la dispersión de bosones longitudinalmente polarizados utilizando datos de LHC Run-3 y HL-LHC».
