Коллаборация CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) провела самое точное в его истории измерение массы W-бозона — элементарной частицы, переносящей слабое взаимодействие между другими частицами. Полученное значение составило 80 360 мегаэлектронвольт (МэВ), что близко к предсказанию Стандартной модели — 80 353 МэВ. Результат соответствующего исследования опубликован в журнале Nature.
Содержимое
Зачем так точно измерять массу одной частицы
W-бозон занимает особое место в физике элементарных частиц. Его массу можно не только измерить экспериментально, но и с высокой точностью предсказать на основе Стандартной модели — основной теории, описывающей известные элементарные частицы и их взаимодействия. Поэтому любое заметное расхождение между измерением и расчетом воспринимается не как мелкая неточность, а как возможный сигнал того, что в природе есть нечто, чего эта теория пока не учитывает.
Именно поэтому особое внимание физиков привлек американский эксперимент CDF, результаты которого были опубликованы в 2022 году. Измеренная в ходе эксперимента масса W-бозона оказалась существенно выше значения, предсказанного Стандартной моделью, и не совпала с большинством предыдущих измерений. Это расхождение оказалось настолько серьезным, что ученые заговорили о возможном намеке на «новую физику» за пределами существующей теории.
Как проводили измерение
Чтобы уточнить массу частицы, исследователи из коллаборации CMS проанализировали данные 117 миллионов столкновений протонов, собранные в 2016 году. Основой для расчета стала большая выборка событий, в которых W-бозон распадался на мюон и нейтрино.
Нейтрино практически не взаимодействует с детектором, поэтому массу W-бозона приходилось восстанавливать косвенно — по траектории мюона и общему балансу энергии в событии. Для этого физики тщательно откалибровали детектор и проверили его работу на других хорошо изученных частицах, в частности на Z-бозоне.
В итоге ученые получили массу W-бозона с точностью ±9,9 МэВ. Это самое точное измерение за всю историю БАК.
Что означает этот результат
Новое измерение подтверждает предсказания Стандартной модели и согласуется с большинством предыдущих экспериментов. Оно не подтверждает аномальный результат американского эксперимента CDF 2022 года, который указывал на возможное отклонение от теории.
Все измерения массы W-бозона, за исключением CDF, теперь находятся в согласии с теоретическим предсказанием. Это означает, что на данный момент у физиков нет убедительных доказательств существования «новой физики», которая проявлялась бы через аномальную массу этой частицы.
Впрочем, поиск отклонений от Стандартной модели продолжается в других экспериментах на БАК и в лабораториях по всему миру.
Часто задаваемые вопросы
Что такое W-бозон и почему он важен?
W-бозон — это элементарная частица, переносящая слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие отвечает, например, за радиоактивный распад атомных ядер. W-бозон был открыт в 1983 году в ЦЕРНе. Особый интерес для физиков представляет его масса, поскольку ее можно с высокой точностью предсказать теоретически. Если измеренное значение заметно отличается от расчетного, это может указывать на существование неизвестных частиц или физических явлений за пределами Стандартной модели.
Почему результат эксперимента CDF 2022 года отличался от других?
В 2022 году американский эксперимент CDF на коллайдере Теватрон получил значение массы W-бозона, которое оказалось на семь стандартных отклонений выше предсказания Стандартной модели. Это был очень необычный результат, намекающий на новую физику. Однако все остальные результаты, включая новое измерение коллаборации CMS, согласуются с теорией. Возможно, в эксперименте CDF присутствовала систематическая ошибка, которую пока не удалось выявить. Научное сообщество продолжает анализировать этот случай.
Означает ли этот результат, что новой физики не существует?
Нет, этот результат лишь показывает, что измеренная масса W-бозона соответствует предсказаниям Стандартной модели и не дает оснований говорить о новой физике. Ученые продолжают искать отклонения от теории в других процессах и частицах. Например, эксперименты с редкими распадами каонов, наблюдения за поведением мюонов и изучение тяжелых кварков могут дать подсказки о физике за пределами Стандартной модели. Поиск продолжается.
Читайте также: Ученые нашли намек на существование пятой силы природы.
