Un parametro che può contenere indizi su nuovi fenomeni fisici è la “larghezza” del bosone W, il portatore elettricamente carico della forza debole. La larghezza di una particella è direttamente correlata alla sua durata e descrive il modo in cui decade in altre particelle. Se il bosone W decade in modi inaspettati, ad esempio in nuove particelle ancora da scoprire, queste influenzeranno la larghezza misurata.

Poiché il Modello Standard prevede con precisione il suo valore in base all'intensità della forza debole carica e alla massa del bosone W (insieme a effetti quantistici più piccoli), qualsiasi deviazione significativa dalla previsione indicherebbe la presenza di fenomeni non contabilizzati.

In un nuovo studio pubblicato su arXiv server di prestampa, la collaborazione ATLAS ha misurato per la prima volta la larghezza del bosone W al Large Hadron Collider (LHC). L'ampiezza del bosone W era stata precedentemente misurata al collisore Large Electron-Positron (LEP) del CERN e al collisore Tevatron del Fermilab, ottenendo un valore medio di 2085 ± 42 milioni di elettronvolt (MeV), coerente con la previsione del modello standard di 2088 ± 1 MeV .

Utilizzando i dati di collisione protone-protone a un'energia di 7 TeV raccolti durante la fase 1 dell'LHC, ATLAS ha misurato l'ampiezza del bosone W come 2202 ± 47 MeV. Questa è la misurazione più precisa effettuata fino ad oggi da un singolo esperimento e, sebbene leggermente più ampia, è coerente con la previsione del modello standard entro 2,5 deviazioni standard (vedi figura sotto).

Questo notevole risultato è stato ottenuto eseguendo un’analisi dettagliata della quantità di moto delle particelle dei decadimenti del bosone W in un elettrone o un muone e nel corrispondente neutrino, che non viene rilevato ma lascia una traccia di energia mancante nell’evento di collisione (vedi immagine sopra). Ciò ha richiesto ai fisici di calibrare con precisione la risposta del rilevatore ATLAS a queste particelle in termini di efficienza, energia e quantità di moto, tenendo conto dei contributi dei processi di fondo.

Tuttavia, per ottenere una precisione così elevata è necessaria anche la confluenza di diversi risultati ad alta precisione. Ad esempio, era essenziale una comprensione accurata della produzione del bosone W nelle collisioni protone-protone e i ricercatori si sono affidati a una combinazione di previsioni teoriche convalidate da varie misurazioni delle proprietà dei bosoni W e Z.

Fondamentale per questa misurazione è anche la conoscenza della struttura interna del protone, che è descritta nelle funzioni di distribuzione dei partoni. I fisici ATLAS hanno incorporato e testato funzioni di distribuzione partonica derivate da gruppi di ricerca globali da dati di adattamento provenienti da un'ampia gamma di esperimenti di fisica delle particelle.

La collaborazione ATLAS ha misurato l'ampiezza del bosone W simultaneamente con la massa del bosone W utilizzando un metodo statistico che ha consentito di vincolare direttamente parte dei parametri che quantificano le incertezze dai dati misurati, migliorando così la precisione della misurazione.

La misurazione aggiornata della massa del bosone W è 80367 ± 16 MeV, che migliora e sostituisce la precedente misurazione ATLAS utilizzando lo stesso set di dati. I valori misurati sia della massa che della larghezza sono coerenti con le previsioni del modello standard.

Si prevede che le future misurazioni della larghezza e della massa del bosone W utilizzando set di dati ATLAS più grandi ridurranno le incertezze statistiche e sperimentali. Allo stesso tempo, i progressi nelle previsioni teoriche e una comprensione più raffinata delle funzioni di distribuzione dei partoni aiuteranno a ridurre le incertezze teoriche. Man mano che le loro misurazioni diventeranno sempre più precise, i fisici saranno in grado di condurre test ancora più rigorosi del Modello Standard e sondare nuove particelle e forze.