Колаборація CDF виміряла масу W-бозона — частинки-носія слабкої взаємодії — у зіткненнях протонів з антипротонами та оцінила її у 80 433±9,4 мегаелектронвольта. Це відрізняється від передбачення Стандартної моделі на сім стандартних відхилень. Це може вказувати на нові, невідомі раніше, частинки або види взаємодій між ними — фізику за межами Стандартної моделі. Результати нового, вдвічі точнішого за попередні, вимірювання маси частинки вчені опублікували у журналі Science.
Reidar Hahn/Fermilab
Що таке W-бозон?
Стандартна модель описує влаштування Всесвіту чотирма фундаментальними взаємодіями, які відбуваються завдяки частинкам-переносникам — бозонам. Існує чотири калібрувальних бозони, пов'язаних з взаємодією: глюони для сильної ядерної взаємодії, яка пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома, фотони для електромагнітної взаємодії, та W і Z бозони для перенесення слабкої взаємодії — найвідомішим її проявом є бета-розпад. Для гравітаційної взаємодії також має бути своя частинка-переносник — гравітон — однак її досі не виявили. Стандартна модель передбачає всі процеси, що відбуваються між частинками, а правильність її передбачень перевіряють у ході експериментів, точність яких щоразу росте.
І так само як і для інших частинок, маса W-бозона, посередника слабкої взаємодії між елементарними частинками, суворо обмежена симетріями Стандартної моделі. І тому вимірювання маси W-бозона забезпечить її перевірку, а відхилення від неї вкаже на Нову фізику за її межами. І фізики з колаборації CDF представили новий аналіз даних, зібраних на прискорювачі заряджених частинок Теватрон у Національній прискорювальній лабораторії імені Енріко Фермі (Фермілаб) за 10 років експериментів з вимірювання маси W-бозона. Вчені отримали значення маси частинки у 80 433±9,4 мегаелектронвольта, що відрізняється від передбачення Стандартної моделі на сім стандартних відхилень.
Порівняння результатів нового аналізу із результатами попередніх експериментів та передбаченням Стандартної моделі. CDF Collaboration / Science, 2022
Як раніше не помітили таке відхилення?
Стандартна модель дає теоретичну оцінку масі W-бозона як 80 357±4ᵢₙₚᵤₜₛ±4ₜₕₑₒᵣᵧ. Невизначеності в очікування теорії виникають через невизначеності у вхідних параметрах — формулах і сталих — і через відсутність членів вищого порядку в обчисленнях. Комбінація експериментальних вимірювань на Великому електрон-позитронному колайдері (LEP) та колайдері Теватрон у Фермілабі оцінює масу W-бозона в 80 385 ± 15 мегаелектронвольтів. Дещо нижчу оцінку маси дає результат експериментів колаборації ATLAS — 80 370 ± 19 мегаелектронвольтів.
Теватрон у Фермілабі вимірював масу W-бозона за рахунок анігіляції кварків і антикварків, зіштовхуючи протони і антипротони з 2002 по 2011 рік. Використання протон-антипротонних зіткнень зменшує невизначеність вимірювань, оскільки розподіл імпульсів у їхніх зіткненнях є одним з найбільш вивчених. У підсумку вчені використали чотири мільйони подій, у яких взяли участь W-бозони.
Експериментальні вимірювання та теоретичні прогнози для маси W-бозона. CDF Collaboration / Science, 2022
Для пошуку маси частинки фізики використовували розпад W-бозонів на електрони і мюони, а від подій з розпадом Z-бозонів їх відрізняли, відкидаючи сигнали від других лептонів з таким самим ароматом. У підсумку, за допомогою симуляції, масу частинки оцінили в 80 433±9,4 мегаелектронвольта. Статистична точність повторного аналізу даних покращилася вдвічі, ніж результати попередніх вимірювань — до 117 частин на мільйон — однак нова оцінка маси W-бозона розійшлася з передбаченням Стандартної моделі на сім стандартних відхилень.
Таке розходження з теорією може бути ознакою нових взаємодій або нових частинок, які важко виявити на доступних фізикам-експериментаторам потужностях. Результат колаборації CDF потребує додаткових експериментів для незалежного підтвердження. Тому вчені очікують на результати інших наукових груп, зокрема колаборації ATLAS на Великому адронному колайдері.
Серед можливих теорій, які могли б пояснити розбіжність із передбаченнями Стандартної моделі, є теорія суперсиметрії, яку ми згадували у нашому матеріалі «Суперфізика та надмеханізми». Тим паче, що нещодавно магнітний момент мюона також вийшов за рамки Стандартної моделі