W-бозон, предсказанный в 1960-х годах и открытый в 1983 году, — это элементарная частица, которая является посредником слабого взаимодействия — одной из четырех сил, управляющих поведением материи в нашей Вселенной. Он превращает протоны в нейтроны и наоборот. W-бозон можно рассматривать в контексте электрослабой модели, объединяющей слабые ядерные и электромагнитные силы, как двоюродного брата фотона. Это основа радиоактивности и, помимо этого, реакций ядерного синтеза, таких как те, которые приводят в движение Солнце и все звезды. Его масса ограничена другими наблюдаемыми параметрами, такими как заряд электронов и массы других частиц, например, бозона Хиггса.
Все эти частицы и силы связаны в своеобразном равновесии, которое иллюстрирует Стандартная модель. Поэтому точное знание массы W-бозона имеет решающее значение для проверки правильности сделанных до сих пор предсказаний. Однако, поскольку W-бозон массивен и нестабилен, его трудно создать в лабораторных столкновениях и наблюдать непосредственно, так как он очень быстро распадается.
Со своей стороны, Стандартная модель была завершена в 2012 году, когда крупнейший в мире ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК) Европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, обнаружил свою последнюю недостающую часть, бозон Хиггса, существование которого давно предсказано. Теория объясняет каждое взаимодействие частиц, наблюдаемое до сих пор, но она страдает очевидными недостатками. Модель включает три силы — электромагнитную, сильную и слабую, но не учитывает гравитацию. В нее также не входит темная материя — невидимое вещество, составляющее 85% материи во Вселенной.
На этом фоне и для более точного определения массы W-бозона Ашутош Котвал, физик из Университета Дьюка, и около 400 ученых в течение 10 лет анализировали четыре миллиона W-бозонов-кандидатов из «набора данных о примерно 450 000 миллиардах столкновений». Их открытие опубликовано в журнале .
Перевес для элементарной частицы
С момента его открытия в 1983 году эксперименты подсчитали, что бозон W весит до 85 протонов. Но его точную массу было трудно определить количественно: первая экспериментальная оценка имела погрешность в 5% и более. Все эти измерения в целом согласуются друг с другом, являясь лишь кажущимся подтверждением справедливости Стандартной модели. Общепринятая масса бозона W составляет 80,379 ГэВ/с², и, хотя расхождение может показаться небольшим, новое значение является наиболее точным, оно эквивалентно измерению массы тела с точностью до 10 граммов.
Конкретно, данные поступают от детектора коллайдера Национальной ускорительной лаборатории Ферми (CDF), детектора частиц, работающего на коллайдере Тэватрон, который работал в Фермилабе с 1984 по 2011 год. Как и БАК в ЦЕРН, в Европе (на котором был обнаружен бозон Хиггса), он допускает столкновение частиц на феноменальных скоростях, которые, разрушаясь, обнаруживают элементы, из которых они состоят.
Таким образом, эти коллайдеры производят W-бозоны путем столкновения частиц при высокой энергии. Эксперименты обычно обнаруживают их путем распада на мюон или электрон, плюс нейтрино. Нейтрино уходит из детектора, не оставляя следа, в то время как электрон или мюон оставляет хорошо видимый след. Во время распада большая часть первоначальной массы W-бозона превращается в энергию новых частиц. Если бы физики смогли измерить эту энергию и траекторию всех распадающихся частиц, они могли бы сразу вычислить массу W-бозона, который их породил. Но не имея возможности отследить нейтрино, они не могут с уверенностью сказать, какая часть энергии электрона или мюона приходится на массу W-бозона, а какая — на его импульс.
После десяти лет работы Ашутош Котвал и его 397 сотрудников CDF обнаружили, что масса W-бозона составляет 80 443,5 мегаэлектронвольт, или в 86 раз больше массы протона. Измерение отличается от предсказанной массы на семикратную экспериментальную погрешность. Ашутош Котвал сказал в заявлении: «Мы считаем, что в этом конкретном показателе есть сильный намек на то, что природа может приготовить для нас«.
Хотя разница между теоретическим прогнозом и экспериментальным значением составляет всего 0,09%, она значительно превышает пределы погрешности результата, которые составляют менее 0,01%. Этот вывод также не согласуется с некоторыми другими измерениями массы. Другая команда должна подтвердить этот результат, который может быть получен в результате трех экспериментов на БАК, с помощью детектора компактного мюонного соленоида (CMS). Гарри Клифф из Кембриджского университета говорит: «Это единственный коллайдер с достаточно высокой энергией для создания W-бозонов«.
Улучшенный анализ — ключ к открытию
Скорее, открытие является результатом постоянно совершенствующихся методов анализа данных, а также лучшего понимания исследователями физики частиц и поведения протонов и антипротонов при столкновениях. Профессор Котвал, соавтор исследования, объясняет: «Существует множество методов достижения такой точности, которые мы не изучали даже в 2012 году«.
Например, команда рассчитала энергию каждого распадающегося электрона, измерив, как траектория искажается в магнитном поле. «За последнее десятилетие удалось улучшить разрешение траекторий с примерно 150 микрон до менее чем 30 микрон«, — объясняет Котвал. После составления карты распределения энергии электронов команда рассчитала массу W-бозона, которая наилучшим образом соответствовала данным: 80 433 мегаэлектронвольт (МэВ), с погрешностью всего 9,4 МэВ.
Тем не менее физики БАК ранее указывали на недостатки программы, используемой CDF, которая называется Resbos, хотя существует улучшенная итерация. Но Котвал отмечает, что исследователи CDF выбрали оригинальную методику заранее, и что было бы неправильно менять методику, чтобы результат сходился с теорией. Таким образом, это открытие еще предстоит подтвердить дальнейшими данными.
Новый кандидат в длинный список аномалий
Если результат подтвердится, он может присоединиться к другим необъяснимым аномалиям. В прошлом году физики обнаружили несоответствия в магнитных свойствах элементарной частицы, известной как мюон, с одной стороны, и реакции, отличные от тех, которые ожидаются от нижнего кварка, другой элементарной частицы, с другой.
Среди возможностей, которые в настоящее время рассматриваются экспертами для объяснения этих аномалий, — суперсимметрия (которая предсказывает наличие частицы-партнера для каждой из частиц Стандартной модели), влияние неизвестных частиц, таких как бозон Хиггса, или даже частиц из «темного сектора» — семейства частиц, которые, помимо прочего, составляют темную материю.
Флоренсия Канелли, физик-экспериментатор элементарных частиц из Цюрихского университета, Швейцария, говорит: «[Измерение] чрезвычайно увлекательно и [представляет] поистине монументальный результат в нашей области«. Поэтому, если это подтвердят другие эксперименты, то это может стать первым крупным прорывом в Стандартной модели физики частиц. Вот как заключает профессор Котвал: «Это открытие может выдать существование новых взаимодействий или новых частиц, которые сегодняшние эксперименты еще не в состоянии выявить. Мы идем по пути, не пренебрегая ни одним следом. Так что в конце концов мы поймем«.
Поэтому мы должны запастись терпением, чтобы получить подтверждение или, по крайней мере, надеяться понять небольшую часть функционирования нашей вселенной.