Понимание устройства Вселенной кардинально изменилось. В Фермилабе после десятилетних измерений масса W-бозона оказалась значительно больше ожидаемой Стандартной моделью, которая описывает природу на фундаментальном уровне. Практика не подтверждает теорию, открывая новый путь в понимании субатомного мира.
W-бозон, предсказанный в 1960-х годах и открытый в 1983 году, — элементарная частица, которая является посредником слабого взаимодействия, одной из четырех сил, управляющих поведением материи во Вселенной. Он превращает протоны в нейтроны и наоборот. В контексте электрослабой модели, объединяющей слабые ядерные и электромагнитные силы, W-бозон можно сравнить с фотоном как двоюродным братом. Это основа радиоактивности и реакций ядерного синтеза, таких как те, что приводят в движение Солнце и все звезды. Масса W-бозона ограничена другими наблюдаемыми параметрами, такими как заряд электронов и массы других частиц, например, бозона Хиггса.
Все эти частицы и силы находятся в особом равновесии, которое описывает Стандартная модель. Точное значение массы W-бозона важно для проверки предсказаний модели. Однако W-бозон массивный и нестабильный, поэтому сложно создать его в лабораторных столкновениях и наблюдать непосредственно из-за быстрого распада.
Стандартная модель была завершена в 2012 году после того, как Большой адронный коллайдер (БАК) ЦЕРН обнаружил бозон Хиггса. Теория объясняет каждое известное взаимодействие частиц, но не включает гравитацию и темную материю — невидимое вещество, составляющее 85% материи во Вселенной.
В связи с этим для более точного определения массы W-бозона Ашутош Котвал, физик из Университета Дьюка, и около 400 ученых в течение десяти лет анализировали четыре миллиона кандидатов на роль W-бозонов из «набора данных о примерно 450 000 миллиардах столкновений». Открытие опубликовано в журнале. .
Перевес для элементарной частицы
С момента открытия в 1983 году бозон W весил до 85 протонов по результатам экспериментов. Однако определить его точную массу количественно было сложно: первая экспериментальная оценка имела погрешность более 5%. Все измерения согласуются между собой, подтверждая справедливость Стандартной модели. Общепринятая масса бозона W составляет 80,379 ГэВ/с², и хотя расхождение небольшое, новое значение является наиболее точным – эквивалентно измерению массы тела с точностью до 10 граммов.
Данные передаёт детектора коллайдера Национальной ускорительной лаборатории Ферми (CDF). Это детектор частиц, работающий на коллайдере Тэватрон, функционировавший в Фермилабе с 1984 по 2011 год. Как и БАК в ЦЕРН, он позволяет столкновению частиц на высоких скоростях, которые при разрушении обнаруживают составляющие элементы.
Таким образом, эти коллайдеры производят W-бозоны столкновением 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, то могли бы сразу вычислить массу W-бозона, который их породил. Но не имея возможности отследить нейтрино, нельзя с уверенностью сказать, какая часть энергии электрона или мюона приходится на массу W-бозона, а какая — на его импульс.
За десятилетний период работы под руководством Ашутоша Котвала и его команды из 397 сотрудников CDF удалось определить массу W-бозона, которая равна 80443,5 мегаэлектронвольт. Это значение в 86 раз превышает массу протона. Полученный результат отличается от теоретических предсказаний на величину, соответствующую семикратному значению экспериментальной погрешности. В данном показателе чувствуется явный оттенок того, к чему может привести природа. «.
Разница между теоретическим прогнозом и экспериментальным значением составляет 0,09%, что значительно больше предела погрешности результата, который менее 0,01%. Этот вывод не согласуется с некоторыми другими измерениями массы. Другая команда должна подтвердить этот результат, полученный в ходе трех экспериментов на БАК с помощью детектора компактного мюонного соленоида (CMS). Гарри Клифф из Кембриджского университета говорит: Только этот ускоритель способен генерировать бозоны W благодаря своей большой энергии. «.
Улучшенный анализ — ключ к открытию
Открытие скорее всего следствие усовершенствования методик анализа данных и более глубокого понимания учеными физики элементарных частиц и взаимодействия протона и антипротона при соударениях. Много способов добиться такой точности появилось с тех пор, как мы занимались этим в 2012 году. «.
Команда определила энергию разлагающихся электронов, анализируя изменение траектории под действием магнитного поля. За десять лет разрешение траекторий повысилось с 150 микрон до менее 30 микрон. — поясняет Котвал. После составления карты распределения энергии электронов команда рассчитала массу W-бозона, которая наилучшим образом согласовывалась с данными: 80 433 мегаэлектронвольт (МэВ) с погрешностью всего 9,4 МэВ.
Физики БАК раньше указывали на недостатки программы Resbos, применяемой CDF, хотя есть более совершенная версия. Котвал замечает, что исследователи CDF решили использовать первоначальную методику заранее и считали бы некорректным изменять её для достижения совпадения с теорией. Подтверждение этого открытия требует дополнительных данных.
Новый участник ряда странностей.
При подтверждении результата его можно будет отнести к другим необъяснимым аномалиям. В прошлом году физики выявили расхождения в магнитных свойствах мюона с реакциями, отличающимися от ожидаемых для нижнего кварка.
Эксперты изучают несколько вариантов объяснения этих аномалий: суперсимметрию (предсказывающую существование партнеров для каждой частицы Стандартной модели), влияние неизвестных частиц, например бозона Хиггса, или даже частиц «темного сектора», входящих в состав темной материи.
Флоренсия Канелли, физик-экспериментатор по элементарным частицам из Университета Цюриха, Швейцария, заявляет: Измерения занимают особое место, являясь поистине грандиозным достижением в нашей сфере. Если последующие опыты дадут подобные результаты, то это может ознаменовать первый значительный шаг вперед в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Это открытие может указывать на наличие новых взаимодействий или частиц, которых современные эксперименты пока не могут обнаружить. Мы следуем указаниям, ни одного не пропуская. В итоге всё станет понятно. «.
Нам нужно быть терпеливыми, чтобы узнать точно, как работает наша вселенная, или хотя бы понять её частично.