Measurement of the $W$-boson angular coefficients and transverse momentum in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=$ 13 TeV with the ATLAS detector

Utilizando 338 pb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón de bajo apilamiento a $\sqrt{s}=13$ TeV recopilados por el detector ATLAS en 2017 y 2018, este artículo presenta la primera medición del conjunto completo de coeficientes angulares y secciones eficaces diferenciales del bosón $W$ en función del momento transversal en todo el espacio de fases leptónico, mostrando acuerdo con las predicciones teóricas que incorporan correcciones de QCD hasta el orden $\alpha_S^2$.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) como una pista de carreras masiva y de alta velocidad donde partículas diminutas llamadas protones chocan entre sí a casi la velocidad de la luz. Cuando colisionan, a veces crean una partícula de vida corta llamada bosón W. Piensa en el bosón W como un "mensajero" que decae instantáneamente (se desintegra) en otras dos partículas: un leptón cargado (como un electrón o un muón) y una partícula fantasmal e invisible llamada neutrino.

Este documento es un informe del experimento ATLAS, uno de los detectores gigantes del LHC, que describe cómo lograron tomar una "fotografía" muy precisa de cómo se comportan estos bosones W.

Aquí está el desglose de lo que hicieron y encontraron, usando analogías simples:

1. El Desafío: El Fantasma Invisible

El problema principal al estudiar los bosones W es que producen un neutrino. Los neutrinos son como fantasmas; atraviesan el detector sin dejar rastro. No puedes verlos, por lo que no puedes saber exactamente a dónde fueron ni a qué velocidad se movían.

• La Solución del Documento: Los científicos utilizaron un truco astuto de "deducción". Conocían la energía y la masa totales del sistema antes del choque. Al medir las partículas visibles (el electrón o el muón) y la energía "faltante" (el retroceso de los escombros), pudieron adivinar matemáticamente la trayectoria del neutrino.
• La Analogía: Imagina que estás en una habitación oscura y escuchas un vaso romperse. No puedes ver el vaso, pero puedes escuchar el sonido y sentir la vibración. Al conocer las leyes de la física, puedes adivinar exactamente dónde estaba el vaso y con qué fuerza fue lanzado, incluso aunque nunca lo hayas visto. El equipo de ATLAS hizo esto para miles de millones de colisiones.

2. La Ventaja del "Bajo Apilamiento"

Por lo general, cuando el LHC funciona, choca protones tan frecuentemente que cientos de colisiones ocurren exactamente al mismo tiempo. Esto se llama "apilamiento" (pile-up). Es como intentar escuchar una sola conversación en un estadio abarrotado y ruidoso. El ruido dificulta escuchar los detalles.

• La Solución del Documento: Para este estudio específico, utilizaron datos de corridas especiales de "baja luminosidad" donde las colisiones estaban mucho más dispersas.
• La Analogía: Bajaron el volumen del estadio a un susurro. En lugar de una multitud rugiente, tuvieron una biblioteca tranquila. Esto les permitió escuchar cada detalle de la "conversación" entre las partículas con una claridad increíble. Este entorno de bajo ruido fue crucial para medir con precisión el momento del neutrino invisible.

3. Midiendo el "Giro" (Coeficientes Angulares)

Cuando se crea un bosón W, no está simplemente quieto; tiene un "giro" u orientación, como un trompo. La forma en que se desintegra depende de la dirección en la que giraba. Los científicos querían medir nueve números diferentes (llamados coeficientes angulares) que describen este giro y cómo salen volando los productos de la desintegración.

• La Analogía: Imagina lanzar un frisbee girando. Si gira de una manera, el viento podría atraparlo de forma diferente que si gira de otra manera. Al observar exactamente dónde aterriza el frisbee y cómo gira, puedes averiguar exactamente cómo estaba girando cuando lo lanzaste.
• El Logro: Esta es la primera vez que alguien mide el conjunto completo de estos nueve números para el bosón W. Anteriormente, solo habían medido dos de ellos, o tenían que adivinar el resto basándose en mediciones de una partícula diferente (el bosón Z). Este documento completa todo el panorama.

4. Los Resultados: Una Coincidencia Perfecta

El equipo midió estos números de giro en diferentes rangos de velocidad (momento transversal). Luego compararon sus datos del mundo real con las predicciones hechas por la Cromodinámica Cuántica (QCD), que es la compleja teoría matemática que describe cómo funciona la fuerza fuerte dentro de los átomos.

• El Hallazgo: Las mediciones coincidieron casi perfectamente con las predicciones teóricas.
• La Analogía: Es como construir un modelo meteorológico súper preciso que predice lluvia, viento y temperatura. Cuando llega la tormenta real, el clima real coincide exactamente con la predicción del modelo. Esto confirma que nuestra comprensión actual de cómo interactúan estas partículas es correcta.

5. Por Qué Esto Importa (Según el Documento)

El documento establece que estas mediciones son importantes por dos razones principales:

1. Probar la Teoría: Demuestra que nuestros modelos matemáticos actuales de la "fuerza fuerte" (QCD) funcionan correctamente hasta niveles muy altos de precisión.
2. Ayudar a Otras Mediciones: Los científicos están tratando de medir la masa exacta del bosón W con extrema precisión. Para hacerlo, necesitan entender exactamente cómo gira y se mueve. Este documento proporciona el "reglamento" para ese giro, ayudando a reducir los errores en esas futuras mediciones de masa.

Resumen

En resumen, la colaboración ATLAS utilizó un período tranquilo y de bajo ruido en el LHC para captar un vistazo claro de un bosón W desintegrándose. Al usar matemáticas para rastrear al neutrino "fantasma" invisible, mapearon el giro de la partícula con todo detalle por primera vez. ¿El resultado? El universo se comportó exactamente como predijeron las ecuaciones complejas, brindando a los científicos una verificación de alta confianza sobre su comprensión de los bloques de construcción fundamentales de la materia.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición de los Coeficientes Angulares y el Momento Transverso del Bosón W en Colisiones pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema y Motivación
Las distribuciones angulares de los pares de leptones producidos mediante el proceso Drell–Yan sirven como sondas sensibles de la dinámica subyacente de la cromodinámica cuántica (QCD) en la producción de bosones vectoriales. Estas distribuciones están gobernadas por correlaciones de espín entre los partones del estado inicial y los leptones del estado final, mediadas por un estado intermedio de espín 1. Si bien el conjunto completo de ocho coeficientes angulares para el bosón $Z$ ha sido medido previamente por la colaboración ATLAS y otros, las mediciones directas para el bosón $W$ han sido limitadas. Antes de este trabajo, solo dos coeficientes angulares ($A_2$ y $A_3$) habían sido medidos en función del momento transverso del bosón $W$ ($p_T^W$) por la colaboración CDF. Otras mediciones de polarización del bosón $W$ existen, pero están relacionadas con coeficientes específicos ($A_0$ y $A_4$) y a menudo dependen de restricciones del espacio de fases fiducial.

La validación de la modelización QCD para la producción de bosones $W$, particularmente para mediciones de precisión como la masa del bosón $W$, depende actualmente de extrapolaciones a partir de datos del bosón $Z$, lo que introduce incertidumbres mayores. Se requiere un enfoque independiente del modelo que aproveche la naturaleza de espín 1 del bosón gauge y la naturaleza de espín 1/2 de los leptones de desintegración para aislar la dinámica de producción sin una modelización detallada de la polarización y la desintegración. Este artículo aborda la necesidad de una medición simultánea del conjunto completo de coeficientes angulares del bosón $W$ y de la sección eficaz diferencial en el espacio de fases completo de los leptones de desintegración.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el detector ATLAS a $\sqrt{s} = 13$ TeV durante 2017 y 2018. Una característica clave de este conjunto de datos es la baja luminosidad instantánea, lo que resulta en una superposición media de aproximadamente dos interacciones por cruce de paquetes. Este entorno de baja superposición mejora significativamente la resolución del retroceso hadrónico, lo cual es crítico para reconstruir la cinemática del neutrino. El conjunto de datos corresponde a una luminosidad integrada de $338 \text{ pb}^{-1}$.

La metodología se basa en el formalismo utilizado para las extracciones anteriores de coeficientes angulares del bosón $Z$. La sección eficaz diferencial de cinco dimensiones para la desintegración $W \to \ell\nu$ se descompone en una suma de nueve polinomios armónicos que dependen de los ángulos polar ($\theta$) y azimutal ($\phi$) del leptón en el marco de Collins-Soper (CS), multiplicados por coeficientes angulares adimensionales $A_i$ ($i=0$ a $7$).

Un desafío principal en el análisis del bosón $W$ es la imposibilidad de reconstruir completamente el momento longitudinal del neutrino ($p_z^\nu$). El análisis infiere $p_z^\nu$ imponiendo la restricción de la masa del bosón $W$ ($m_W$), lo que resulta en una ecuación cuadrática con dos soluciones reales posibles. Para resolver la ambigüedad de signo doble resultante en $\cos\theta_{CS}$, se elige una solución al azar con igual probabilidad. Para los eventos donde la ecuación cuadrática no produce ninguna solución real (aproximadamente el 15% a bajo $p_T^W$ aumentando al 60% a alto $p_T^W$), la cinemática del neutrino se ajusta mediante una restricción de desequilibrio de momento para asegurar una solución única.

La extracción de los coeficientes angulares y de la sección eficaz diferencial ($d\sigma/dp_T^W$) se realiza mediante un ajuste de plantillas a las distribuciones angulares reconstruidas bidimensionales en el plano $(\cos\theta_{CS}, \phi_{CS})$. El ajuste se lleva a cabo en intervalos del momento transverso reconstruido $p_T^{\ell\nu}$, con límites de intervalo definidos desde 0 hasta 600 GeV. El análisis se realiza por separado para los canales $W^-$ y $W^+$ y para los modos de desintegración en electrones y muones, los cuales se combinan posteriormente. Los fondos, particularmente de la producción de multijets QCD, se estiman utilizando ajustes de plantillas basados en datos en regiones de anti-aislamiento, mientras que otros fondos (top, dibosones, $Z$) se modelan utilizando simulaciones de Monte Carlo (MC) (Powheg+Pythia8, Sherpa).

Contribuciones y Resultados Clave
Este artículo presenta la primera medición simultánea del conjunto completo de coeficientes angulares del bosón $W$ ($A_0$ a $A_7$) y de la sección eficaz diferencial en función de $p_T^W$ en el espacio de fases completo de los leptones de desintegración.

• Coeficientes Angulares: Los coeficientes $A_0$, $A_2$, $A_3$ y $A_4$ se miden como significativamente diferentes de cero. La precisión alcanzada para $A_3$ supera la de cualquier medición previa. Los coeficientes $A_1$, $A_5$, $A_6$ y $A_7$ también se reportan, aunque su extracción está limitada por la sensibilidad estadística. El coeficiente $A_7$, que se espera que sea no nulo debido a la naturaleza que viola la paridad de la interacción débil, muestra una ligera desviación de cero en el rango intermedio de $p_T$.
• Relación Lam-Tung: Se estudia la relación $A_0 - A_2 = 0$, una consecuencia de la naturaleza de espín 1 del gluón al orden principal. Los datos carecen de la precisión para sondear posibles desviaciones de cero esperadas a partir de diagramas de orden superior.
• Sección Eficaz Diferencial: La sección eficaz diferencial $d\sigma/dp_T^W$ se mide con una precisión de aproximadamente el 3% a bajo $p_T^W$.
• Comparación con la Teoría: Todos los resultados se comparan con predicciones teóricas que incorporan correcciones QCD de orden finito hasta orden $\alpha_S^2$ (NNLO) y resumación con precisión NNLL, calculadas utilizando el programa DYTurbo, así como con generadores MC (Powheg+Pythia8 y Sherpa 2.2.1). Las mediciones muestran un buen acuerdo con las predicciones de DYTurbo en todo el espectro. Las predicciones MC describen razonablemente bien la región de bajo $p_T^W$, mientras que Sherpa 2.2.1 proporciona una buena descripción a momentos transversos más altos, whereas Powheg+Pythia8 muestra un peor acuerdo para $p_T^W > 40$ GeV.

Significado
El artículo afirma que esta medición proporciona la primera perspectiva experimental directa sobre el espectro de momento transverso del bosón $W$ y sus coeficientes angulares en el espacio de fases completo, evitando la necesidad de extrapolaciones a partir de datos del bosón $Z$. El conjunto de datos de baja superposición permitió mediciones de alta precisión de observables relacionados con el neutrino, que suelen ser desafiantes debido a ambigüedades de reconstrucción. Los resultados ofrecen comparaciones rigurosas con predicciones QCD de última generación y contribuyen a la validación de la modelización utilizada en mediciones de precisión, como la determinación de la masa del bosón $W$. El análisis demuestra que el conjunto completo de coeficientes angulares puede extraerse simultáneamente, proporcionando una prueba exhaustiva de las correlaciones de espín y la dinámica QCD en la producción de bosones $W$.