Precisión sin precedentes al medir la fuerza de la fuerza fuerte

   MADRID, 25 Sep. (EUROPA PRESS) -

   Físicos de partículas han utilizado el bosón Z, el portador eléctricamente neutro de la fuerza débil, para medir la fuerza de la fuerza fuerte con una incertidumbre sin precedentes, inferior al 1%.

   Unir quarks para formar protones, neutrones y núcleos atómicos es una fuerza tan fuerte que está en el nombre. La fuerza fuerte, transportada por las partículas de gluones, es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza; las otras son el electromagnetismo, la fuerza débil y la gravedad. Sin embargo, es la que se mide con menor precisión de estas cuatro fuerzas.

   En un artículo remitido a Nature Physics y actualmente disponible en el servidor de preimpresión arXiv, científicos de la colaboración ATLAS que trabaja con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en el laboratorio europeo de aceleración de partículas CERN.

   La intensidad de la fuerza fuerte se describe mediante un parámetro fundamental en el modelo estándar de física de partículas llamado constante de acoplamiento fuerte. Si bien el conocimiento de la constante de acoplamiento fuerte ha mejorado con las mediciones y los desarrollos teóricos realizados a lo largo de los años, la incertidumbre sobre su valor sigue siendo órdenes de magnitud mayor que la de las constantes de acoplamiento para las otras fuerzas fundamentales, informa el CERN en un comunicado.

   Se requiere una medición más precisa de la constante de acoplamiento fuerte para mejorar la precisión de los cálculos teóricos de los procesos de partículas que involucran la fuerza fuerte. También es necesario abordar importantes cuestiones sin respuesta sobre la naturaleza. ¿Podrían todas las fuerzas fundamentales tener la misma fuerza a muy alta energía, lo que indica un posible origen común? ¿Podrían interacciones nuevas y desconocidas estar modificando la fuerza fuerte en ciertos procesos o en ciertas energías?.

   En su nuevo estudio de la constante de acoplamiento fuerte, la colaboración ATLAS investigó los bosones Z producidos en colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN con una energía de colisión de 8 TeV. Los bosones Z normalmente se producen cuando dos quarks en los protones en colisión se aniquilan. En este proceso de interacción débil, la fuerza fuerte entra en juego a través de la radiación de gluones de los quarks aniquiladores.

   Esta radiación le da al bosón Z una "patada" transversal al eje de colisión (momento transversal). La magnitud de esta patada depende de la fuerte constante de acoplamiento. Una medición precisa de la distribución de los momentos transversales del bosón Z y una comparación con cálculos teóricos igualmente precisos de esta distribución permiten determinar la constante de acoplamiento fuerte.

   En el nuevo análisis, el equipo de ATLAS se centró en desintegraciones del bosón Z claramente seleccionadas en dos leptones (electrones o muones) y midió el impulso transversal del bosón Z a través de sus productos de desintegración. Una comparación de estas mediciones con predicciones teóricas permitió a los investigadores determinar con precisión que la constante de acoplamiento fuerte en la escala de masa del bosón Z era 0,1183 +/- 0,0009.

   Con una incertidumbre relativa de sólo el 0,8%, el resultado es la determinación más precisa de la intensidad de la fuerza fuerte realizada hasta la fecha mediante un solo experimento. Concuerda con el promedio mundial actual de determinaciones experimentales y cálculos de última generación conocidos como cromodinámica cuántica reticular.

   Esta precisión récord se logró gracias a avances tanto experimentales como teóricos. En el aspecto experimental, los físicos de ATLAS lograron una comprensión detallada de la eficiencia de detección y la calibración del momento de los dos electrones o muones que se originan en la desintegración del bosón Z, lo que resultó en precisiones del momento que oscilaron entre el 0,1% y el 1%.

   En el aspecto teórico, los investigadores de ATLAS utilizaron, entre otros ingredientes, cálculos de última generación del proceso de producción del bosón Z que consideran hasta cuatro "bucles" en cromodinámica cuántica. Estos bucles representan la complejidad del cálculo en términos de procesos contribuyentes. Agregar más bucles aumenta la precisión.

   "La fuerza de la fuerza nuclear fuerte es un parámetro clave del modelo estándar, pero sólo se conoce con una precisión de porcentaje. A modo de comparación, la fuerza electromagnética, que es 15 veces más débil que la fuerza fuerte en la energía probada por el LHC, se conoce con una precisión superior a una parte en mil millones", afirma el físico del CERN Stefano Camarda, miembro del equipo de análisis.

   "El hecho de que hayamos medido ahora la fuerte fuerza de acoplamiento con un nivel de precisión del 0,8% es un logro espectacular. Muestra el poder del LHC y el experimento ATLAS para ampliar la frontera de la precisión y mejorar nuestra comprensión de la naturaleza".