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O puzzle da assimetria do W

quarta-feira, 2 mar 2011; \09\UTC\UTC\k 09 Deixe um comentário Go to comments

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Quero contar uma historia interessante que não tem recebido muita atenção. Eu já falei aqui de diversas medidas de assimetrias: a assimetria na produção de múons de mesmo sinal, que é função da fase de violação de CP, a assimetria frente-trás na produção de pares top anti-top, que pode ser gerada por novas partículas, e agora quero falar da assimetria de carga na produção do bóson W.

Assimetria é uma das últimas ilhas em que o Tevatron ainda está descobrindo sinais de nova física antes do LHC. No Tevatron, a produção de W+ (W-) é feita principalmente através da interação de um quarks u (d) do próton com um quark anti-d (anti-u) do antipróton.

No parágrafo acima está implícita uma propriedade da QCD chamada fatorização. Fatorização é a propriedade de se poder interpretar as colisões hadrônicas inelásticas como uma colisão elástica de quarks convolucionada com a densidade de quarks dentro do hádron. A demonstração formal desse teorema foi dada por Collins, Soper e Sterman, mas eu estou longe de conhecê-la em detalhes. Usar o teorema de fatorização é muito simples e não é necessário saber os detalhes da demonstração. A argumentação heurística é que a ligação entre os pártons no hádron é um processo demorado, enquanto a colisão dos pártons é muito rápida. Por isso que somamos probabilidades e não amplitudes.

Essa distribuição de pártons (quarks e glúons) dentro do próton é universal, isto é, ela não depende de que processo estamos calculando. O dado interessante é que a densidade de quarks u é diferente da densidades de quarks d no próton e essa diferença depende da fração do momento do próton que eles carregam. Por isso, a quantidade de W+ produzidos vai ser diferente da quantidade de W-, e essa diferença vai depender da direção. Esses W- (W+) vão decair em elétrons (pósitrons) ou múons (anti-múons) que herdarão essa assimetria. O problema aqui é que a próprio decaimento do W já quebra paridade, então a assimetria do produto final é uma combinação dos dois efeitos. A quebra de paridade no decaimento fraco é muitíssimo bem entendida, enquanto PDFs (a distribuição de densidade dos pártons dentro do próton) nem tanto, por isso essa assimetria é útil para estudá-las.

Há três anos atrás, a colaboração D0 mediu essa assimetria no decaimento para elétron com um conjunto de dados bem reduzido. Na verdade, duas medidas foram feitas: uma “inclusiva”, com elétrons com qualquer momento transverso acima de 25 GeV, e outra “exclusiva” separando esses dados em dois bins com momento transverso maior e menor que 35 GeV. Fazer essa separação está longe de ser experimentalmente trivial, porque agora você não só tem incertezas sistemáticas de identificação errada de carga no sistema de tracking, mas também tem incertezas na escala de energia do calorímetro. Ou seja, está longe de ser uma medida fácil e é provável que o D0 seja o único experimento capaz de fazê-la. Teoricamente essa separação também é problemática, já que torna o cálculo muito sensível à correções de glúons infravermelhos e colineares emitidos pelos quarks do estado inicial. Esses glúons podem ser considerados usando técnicas de grupo de renormalização ou teorias efetivas para essas partículas, mas a conta é mais complicada.

Com essa medida que começou o problema. Quando as colaborações que fazem os ajustes globais de dados de QCD para PDFs decidiram inserir essa medida nos seus conjuntos de dados (CTEQ, NNPDF, MSTW) eles perceberam que as medidas não eram consistentes com os experimentos de espalhamento profundamento inelástico (DIS) que vinculam as PDF dos quarks u e d dentro do próton. Mas, mais do que isso, eles perceberam, que as medidas exclusivas nem eram consistentes entre si.

Sobre os dados de DIS, muitas resalvas tem que ser feitas. O regime cinemático explorado por esses experimentos é muito diferente da produção de W. O fóton virtual tem massa de poucos GeV enquanto o W sempre está em torno de 80 GeV. Além disso, para produzir um W, os pártons tem que ter uma fração grande do momento do próton no Tevatron, o que não é necessário num experimento de DIS. Os experimentos de DIS em visível tensão usam alvos de deutério e um artigo recente (eu tenho que admitir que tenho muita dificuldade de entender esses métodos de física nuclear e esse outro artigo me ajudou muito) argumenta que parte da incompatibilidade vem de ignorar efeitos relativísticos e de muitos corpos na descrição do núcleo.

A colaboração NNPDF faz algo muito interessante. Eles produzem um ensemble a partir da sua PDF para que se possa estudar o efeito de medidas extras usando técnicas de inferência estatística. Usando os ensembles disponíveis fica claro que efeitos nucleares não são tão importantes assim para explicar toda a discrepância e que há também indicação de um problema experimental. Seria interessante se a colaboração D0 refizesse essa medida (mas quem, se todo mundo foi para o LHC?).

Essa medida seria interessante pois a incerteza na densidade de quarks u e d é a principal fonte de incerteza teórica na medida da massa do W; que, por sua vez, é a grandeza estatisticamente mais importante em ajustes globais da teoria eletrofraca. Se queremos realmente saber quão bem conhecemos as interação fracas, essa é a incerteza teórica que está nos impedindo. Para o LHC isso não seria tão importante, pois eles produzem bósons eletrofracos usando condições cinemáticas bem diferentes, mas para o Tevatron, se essa medida for usada para determinação da PDF, as incertezas na massa do W podem se reduzidas por 25%. A assimetria do W restringe tão bem nosso conhecimento sobre os quarks u e d no próton, que a principal fonte de incerteza teórica na medida da massa W, após sua incorporação, seria a densidade de quarks anti-u (anti-d) no próton e a ausência de simetria SU(2) no “mar” (isso foi medido há muitos anos atrás num experimento chamado NuSea).

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Abazov, V. et al. (2008). Measurement of the Electron Charge Asymmetry in pp¯→W+X→eν+X Events at s=1.96  TeV Physical Review Letters, 101 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.211801

Categorias:Ars Physica
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