Los límites inferiores para la masa de los bosones vectoriales Z’ y W’ en el Tevatrón y en el LHC

Una posible extensión del modelo estándar SU(2)×U(1) de la física de partículas es la existencia de un nuevo bosón vectorial Z´, modelo SU(2)×U(1)×U(1)´, o la existencia de dos nuevos bosones vectoriales W´, modelo SU(2)×U(1)×SU(2)´. Si estas nuevas partículas existen tendrán una masa en reposo mayor de 1 TeV, según los mejores límites inferiores actuales. Para obtener estos límites hay que analizar  un enorme número de colisiones en los experimentos CDF y DZero del Tevatrón en el Fermilab (donde colisionan protones contra antiprotones a 1’96 TeV c.m.). Sin embargo, en los experimentos ALTAS y CMS del LHC en el CERN (donde colisionan protones contra protones a 7 TeV c.m.) se necesitan muchísimas menos colisiones, porque las colisiones son mucho más energéticas y la producción de partículas de gran masa es mucho más probable. Pronto se publicará el primer análisis en el LHC para la masa inferior del bosón Z´ a partir de las colisiones obtenidas en 2010, que será algo mayor que el mejor valor actual, obtenido en el Tevatrón. Quizás por ello, Tommaso Dorigo le dedica una estupenda entrada al mejor límite actual, obtenido por el Tevatrón el verano pasado: “No New Z Bosons Below A TeV,” A Quantum Diaries Survivor, January 8th 2011. Os recomiendo leer a Tommaso, pero antes permitidme algunas líneas sobre la comparación entre Tevatrón y LHC en estas lides (la producción de partículas de gran masa en reposo). Para los despistados que no sepan lo que son los bosones vectoriales W y Z del modelo estándar yo les recomendaría visitar La Aventura de las Partículas.

El artículo de Tommaso nos habla del bosón Z´ y del experimento CDF del Tevatrón que, tras analizar 4’6 /fb de colisiones protón-antiprotón, ha descubierto que la masa del bosón Z´ es como mínimo M(Z´) > 1’071 TeV (unas 1140 veces la masa de un protón). Este valor es el obtenido para un Z´ similar al Z del modelo estándar, ya que el límite para otros modelos teóricos del bosón Z´ es algo inferior (en el artículo técnico se han considerado 7 modelos diferentes). Para los interesados en los detalles el artículo técnico es CDF Collaboration, “Search for high mass resonances decaying to mu+ mu- at CDF,” May 27, 2010 [pdf].

Por mi parte yo me voy en centrar en el bosón W´, para el que CDF, tras analizar 5’3 /fb de colisiones, ha descubierto que su masa es como mínimo M(W´)>1’1 TeV/c² al 95% C.L. ¿Cuántas colisiones protón-antiprotón se han estudiado en el CDF para obtener este límite? Como la sección eficaz total de dicha colisión es de 80 milibarns, o 80 billones de femtobarn (fb), multiplicando obtenemos 5’3×80 = 424 billones de colisiones (recuerda que mili- significa 10-3 y femto- significa 10-15) . El artículo técnico es The CDF Collaboration, “Search for a New Heavy Gauge Boson W’ with Electron+E/T Event Signature,” October 4, 2010 [pdf].

Podemos comparar estos valores con los del LHC. El experimento CMS, con solo 36 /pb de colisiones, ha descubierto que la masa del bosón W´ es como mínimo M(W´)>  1’36 TeV/c² al 95% C.L., un valor algo mayor que el obtenido por el Tevatrón.  ¿Cuántas colisiones protón-protón se han estudiado en el CMS para obtener este límite? Como la sección eficaz total de dicha colisión es de 110 milibarns,  o 110 mil millones de picobarns (pb), multiplicando obtenemos 36×110 = 3’96 billones de colisiones. El artículo técnico es The CMS Collaboration, “Search for a heavy gauge boson W´ in final states with electrons and large missing ET in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,” December 29, 2010 [pdf, ArXiv].

El resultado obtenido por el LHC es un 23% mayor que el del Tevatrón, pero se ha requerido el análisis de un número de colisiones unas 108 veces menor. Para el estudio de partículas con una gran masa en reposo, la mayor energía de las colisiones del LHC es una enorme ventaja respecto al Tevatrón.

3 pensamientos en “Los límites inferiores para la masa de los bosones vectoriales Z’ y W’ en el Tevatrón y en el LHC

  1. El modelo E8 de Garrett Lisi predice la existencia de los bosones W’ y Z’, según la entrada inglesa de Wikipedia. Lo que no nos da este modelo es la masa de esos bosones. Mal compartido por todos los modelos de partículas elementales de los que he oído hablar. De todas formas la cosa pinta un poco chunga para el físico más mediático de los últimos tiempos.

    • Sí, Lisi afirmó en su artículo original que E8 recupera, entre otras cosas, el modelo de Pati-Salam SU(4)xSU(2)xSU(2) [wiki], que extiende el modelo estándar con dichos bosones. Aún así hay que recordar que las ideas de Lisi no incluyen el modelo estándar completo, como Garibaldi y Distler mostraron; para lograrlo hay que usar E8xE8 o SO(10), solo E8 no funciona.

      • Pati Salam, o su primo pequeño Pati “et al” SU(3)xU(1)_{b-l}xSU(2)xSU(2), es independiente de lo de Lisi. Una cosa muy llamativa es que el salto de SU(2)xU(1) a SU(2)xSU(2) no añade dimensiones en Kaluza Klein: SU(2)xSU(2) tiene el mismo algebra que SO(4) y por tanto es el grupo de isometrias de la esfera S3. Mientras que SU(2)xU(1) es el grupo del producto de la esfera S2 por la S1, o en realidad el de cualquier espacio de lente (lens space).
        En cambio, el salto de SU(3)xU(1) a SU(4) parece mas raro pero no lo es tanto. SU(4) tiene el mismo algebra que SO(6) -no hay muchas coincidencias en algebras de Lie, ¡pero aqui estamos usando dos de las pocas que hay!- y por tanto corresponde a isometrias de la esfera S5. En cuanto a SU(3)xU(1), hay que verlo como isometrias en CP2 x S1. Asi que tampoco cambia la dimension.
        En total, las dos piezas de Pati-Salam juntas se pueden formular utilizando 5+3= 8 dimensiones extra. Esto es una dimension mas de la que usa SUGRA, o de la que usa M-theory.

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