|
Новые результаты развеяли тайну массы W-бозона
|
|
|
|
После неожиданного измерения, проведенного детектором коллайдера в эксперименте Fermilab (CDF) в 2022 году, физики, участвующие в эксперименте по компактному мюонному соленоиду (CMS) на Большом адронном коллайдере (БАК), объявили сегодня о новом измерении массы W-бозона, одной из природных частиц, переносящих взаимодействие.
|
|
|
|
Это новое измерение, которое является первым для эксперимента CMS, использует новую методику, которая делает его самым тщательным исследованием массы W-бозона на сегодняшний день. После почти десятилетнего анализа CMS обнаружила, что масса W-бозона соответствует предсказаниям, и, наконец, разрешила многолетнюю загадку.
|
|
|
|
В окончательном анализе было использовано 300 миллионов событий, собранных в ходе работы БАК в 2016 году, и 4 миллиарда смоделированных событий. На основе этого набора данных команда реконструировала, а затем измерила массу более чем 100 миллионов W-бозонов.
|
|
|
|
Они обнаружили, что масса W-бозона составляет 80 360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольт (МэВ), что согласуется с предсказаниями стандартной модели в 80 357 ± 6 МэВ. Они также провели отдельный анализ, который перепроверил теоретические предположения.
|
|
|
"Новый результат CMS уникален благодаря своей точности и способу определения неопределенностей", - сказала Пэтти Макбрайд, выдающийся ученый из Национальной исследовательской лаборатории Ферми Министерства энергетики США и бывший представитель CMS.
|
|
|
|
"Мы многому научились у CDF и других исследователей, которые работали над вопросом о массе W-бозона. Мы стоим на их плечах, и это одна из причин, по которой мы можем сделать большой шаг вперед в этом исследовании".
|
|
|
|
С тех пор как в 1983 году был открыт W-бозон, физики в ходе 10 различных экспериментов измерили его массу.
|
|
|
|
W-бозон является одним из краеугольных камней Стандартной модели, теоретической основы, которая описывает природу на самом фундаментальном уровне. Точное представление о массе W-бозона позволяет ученым составить карту взаимодействия частиц и взаимодействующих сил, включая напряженность поля Хиггса и слияние электромагнетизма со слабым взаимодействием, которое отвечает за радиоактивный распад.
|
|
|
|
"Вся Вселенная - это хрупкое равновесие", - сказала Анади Канепа, заместитель руководителя эксперимента CMS и старший научный сотрудник лаборатории Фермилаб. "Если масса W отличается от ожидаемой, в игру могут вступить новые частицы или силы притяжения".
|
|
|
|
Точность нового измерения CMS составляет 0,01%. Этот уровень точности соответствует измерению карандаша длиной 4 дюйма с точностью от 3,9996 до 4,0004 дюйма. Но в отличие от карандашей, W-бозон - это фундаментальная частица, не имеющая физического объема и масса которой меньше, чем у одного атома серебра.
|
|
|
|
"Это измерение чрезвычайно сложно выполнить", - добавил Канепа. "Нам нужно провести несколько измерений в ходе нескольких экспериментов, чтобы перепроверить значение".
|
|
|
|
Эксперимент CMS отличается от других экспериментов, в ходе которых проводились подобные измерения, своей компактной конструкцией, специализированными датчиками для определения элементарных частиц, называемых мюонами, и чрезвычайно мощным электромагнитом-соленоидом, который изменяет траектории заряженных частиц при их прохождении через детектор.
|
|
|
|
"Дизайн CMS делает его особенно подходящим для прецизионных измерений массы", - сказал Макбрайд. "Это эксперимент нового поколения".
|
|
|
|
Поскольку большинство элементарных частиц невероятно недолговечны, ученые измеряют их массы, суммируя массы и импульсы всего, во что они распадаются. Этот метод хорошо работает для таких частиц, как Z-бозон, двоюродный брат W-бозона, который распадается на два мюона. Но W-бозон представляет собой серьезную проблему, поскольку одним из продуктов его распада является крошечная фундаментальная частица, называемая нейтрино.
|
|
|
|
"Нейтрино, как известно, трудно измерить", - сказал Джош Бендавид, ученый из Массачусетского технологического института, который работал над этим анализом. "В экспериментах на коллайдере нейтрино остаются незамеченными, поэтому мы можем получить только половину картины".
|
|
|
|
Работа только с половиной картины означает, что физикам необходимо проявить творческий подход. Прежде чем приступить к анализу реальных экспериментальных данных, ученые сначала смоделировали миллиарды столкновений БАК.
|
|
|
|
"В некоторых случаях нам даже приходилось моделировать небольшие деформации в детекторе", - сказал Бендавид. "Точность настолько высока, что мы заботимся о небольших изгибах, даже если они всего лишь толщиной с человеческий волос".
|
|
|
|
Физикам также нужны многочисленные теоретические данные, например, о том, что происходит внутри протонов при их столкновении, как образуется W-бозон и как он движется перед распадом.
|
|
|
|
"Это настоящее искусство - оценить влияние теоретических данных", - сказал Макбрайд.
|
|
|
|
В прошлом физики использовали Z-бозон в качестве замены W-бозона при калибровке своих теоретических моделей. Хотя этот метод имеет много преимуществ, он также вносит в процесс некоторую неопределенность.
|
|
|
|
"Z- и W-бозоны - родные братья, но не близнецы", - сказала Элизабетта Манка, исследователь из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и один из аналитиков. "Физикам необходимо сделать несколько предположений при экстраполяции от Z к W, и эти предположения все еще обсуждаются".
|
|
|
|
Чтобы уменьшить эту неопределенность, исследователи CMS разработали новую методику анализа, которая использует только реальные данные о W-бозонах, чтобы ограничить теоретические входные данные.
|
|
|
|
"Мы смогли сделать это эффективно благодаря сочетанию большого объема данных, опыта, полученного в ходе более раннего исследования W-бозона, и последних теоретических разработок", - сказал Бендавид. "Это позволило нам освободиться от Z-бозона в качестве нашей точки отсчета".
|
|
|
|
В рамках этого анализа они также изучили 100 миллионов следов распада хорошо известных частиц, чтобы перекалибровать массивную секцию детектора CMS до тех пор, пока он не стал на порядок точнее.
|
|
|
|
"Этот новый уровень точности позволит нам проводить критические измерения, такие как измерения, связанные с W, Z и бозонами Хиггса, с повышенной точностью", - сказал Манка.
|
|
|
|
Самой сложной частью анализа была его трудоемкость, поскольку для этого требовалось разработать новую методику анализа и добиться невероятно глубокого понимания работы детектора CMS.
|
|
|
|
"Я начал это исследование в качестве летнего студента, а сейчас учусь на третьем курсе в качестве постдока", - сказал Манка. "Это марафон, а не спринт".
|
|
|
|
Источник
|
