„Możesz to zrobić szybko, możesz to zrobić tanio lub możesz to zrobić dobrze. Zrobiliśmy to dobrze”. Były to niektóre z pierwszych uwag Davida Tobacka, lidera Detektora Zderzaczy w Fermilab, który ogłosił wyniki trwającego dekadę eksperymentu mającego zmierzyć masę cząstki zwanej bozonem W .
Jestem fizykiem cząstek wysokich energii i należę do zespołu setek naukowców, którzy zbudowali i uruchomili Detektor Zderzaczy w Fermilab w Illinois — znany jako CDF.
Po bilionach kolizji i latach zbierania danych i analizowania liczb, zespół CDF odkrył, że bozon W ma nieco większą masę niż oczekiwano . Chociaż rozbieżność jest niewielka, wyniki, opisane w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science 7 kwietnia 2022 r., zelektryzowały świat fizyki cząstek elementarnych . Jeśli pomiar jest poprawny, jest to kolejny silny sygnał , że brakuje elementów do układanki fizyki dotyczącej działania wszechświata.
Cząstka, która niesie słabą siłę
Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych jest obecnie najlepszą ramą naukową podstawowych praw wszechświata i opisuje trzy podstawowe siły : siłę elektromagnetyczną, siłę słabą i siłę silną.
Silna siła utrzymuje razem jądra atomowe. Jednak niektóre jądra są niestabilne i ulegają rozpadowi radioaktywnemu, powoli uwalniając energię poprzez emitowanie cząstek. Proces ten jest napędzany przez słabe oddziaływanie, a od początku XX wieku fizycy szukali wyjaśnienia, dlaczego i jak atomy się rozpadają.
Zgodnie z Modelem Standardowym siły są przenoszone przez cząstki. W latach sześćdziesiątych seria przełomów teoretycznych i eksperymentalnych sugerowała, że słabe oddziaływanie jest przenoszone przez cząstki zwane bozonami W i Z. Postulowano również, że trzecia cząstka, bozon Higgsa, nadaje masę wszystkim innym cząstkom – w tym bozonom W i Z.
Od czasu pojawienia się Modelu Standardowego w latach sześćdziesiątych naukowcy pracowali w dół listy przewidywanych, ale nieodkrytych cząstek i mierzyli ich właściwości. W 1983 r. dwa eksperymenty w CERN w Genewie w Szwajcarii uchwyciły pierwszy dowód na istnienie bozonu W . Wyglądało na to, że ma masę mniej więcej średniej wielkości atomu, takiego jak brom.
Do 2000 roku brakowało tylko jednego elementu, aby uzupełnić Model Standardowy i połączyć wszystko razem: bozon Higgsa. Pomogłem szukać bozonu Higgsa w trzech kolejnych eksperymentach, aż w końcu odkryliśmy go w 2012 roku w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN.
Model Standardowy był kompletny, a wszystkie wykonane przez nas pomiary pięknie współgrały z przewidywaniami.
Pomiar bozonów W
Testowanie Modelu Standardowego jest zabawne. Po prostu rozbijasz cząstki przy bardzo wysokich energiach. Te zderzenia na krótko wytwarzają cięższe cząstki, które następnie rozpadają się z powrotem na lżejsze. Fizycy używają ogromnych i bardzo czułych detektorów w miejscach takich jak Fermilab i CERN do pomiaru właściwości i interakcji cząstek powstałych w tych zderzeniach.
W CDF bozony W są produkowane mniej więcej jeden na 10 milionów razy , gdy zderzają się proton i antyproton. Antyprotony są antymateryjną wersją protonów o dokładnie tej samej masie, ale przeciwnym ładunku. Protony zbudowane są z mniejszych cząstek elementarnych zwanych kwarkami, a antyprotony z antykwarków. To zderzenie kwarków i antykwarków tworzy bozony W . Bozony W rozpadają się tak szybko, że nie można ich bezpośrednio zmierzyć. Tak więc fizycy śledzą energię wytworzoną z ich rozpadu, aby zmierzyć masę bozonów W.
W ciągu 40 lat, odkąd naukowcy po raz pierwszy wykryli dowody na istnienie bozonu W, w kolejnych eksperymentach osiągnięto coraz dokładniejsze pomiary jego masy. Ale dopiero od czasu pomiaru bozonu Higgsa — ponieważ nadaje on masę wszystkim innym cząstkom — naukowcy mogli porównać zmierzoną masę bozonów W z masą przewidywaną przez Model Standardowy . Przewidywania i eksperymenty zawsze pasowały do siebie — aż do teraz.
Niespodziewanie ciężki
Detektor CDF w Fermilab jest doskonały do dokładnego pomiaru bozonów W. W latach 2001-2011 akcelerator zderzał protony z antyprotonami bilionów razy, wytwarzając miliony bozonów W i rejestrując jak najwięcej danych z każdego zderzenia.
Zespół Fermilab opublikował wstępne wyniki na podstawie ułamka danych z 2012 roku. Odkryliśmy, że masa jest nieco odbiegająca, ale bliska przewidywaniom. Zespół spędził następnie dekadę na żmudnej analizie pełnego zestawu danych. Proces obejmował liczne wewnętrzne kontrole krzyżowe i wymagane lata symulacji komputerowych. Aby uniknąć wkradania się błędu systematycznego do analizy, nikt nie mógł zobaczyć żadnych wyników, dopóki pełne obliczenia nie zostały zakończone.
Kiedy świat fizyki wreszcie zobaczył wynik 7 kwietnia 2022 r., wszyscy byliśmy zaskoczeni. Fizycy mierzą masy cząstek elementarnych w jednostkach milionów elektronowoltów — skróconych do MeV. Masa bozonu W okazała się być 80 433 MeV — o 70 MeV wyższa niż przewiduje to Model Standardowy. Może się to wydawać niewielkim nadmiarem, ale pomiar jest dokładny z dokładnością do 9 MeV. Jest to odchylenie prawie ośmiokrotnie większe od marginesu błędu. Kiedy moi koledzy i ja zobaczyliśmy wynik, naszą reakcją było głośne „wow!”
Co to oznacza dla modelu standardowego
Fakt, że zmierzona masa bozonu W nie odpowiada masie przewidywanej w Modelu Standardowym, może oznaczać trzy rzeczy. Albo matematyka jest błędna, pomiar jest błędny, albo czegoś brakuje w Modelu Standardowym.
Najpierw matematyka. Do obliczenia masy bozonu W fizycy używają masy bozonu Higgsa. Eksperymenty CERN pozwoliły fizykom zmierzyć masę bozonu Higgsa z dokładnością do ćwierć procenta. Ponadto fizycy teoretyczni od dziesięcioleci pracują nad obliczeniami masy bozonu W. Chociaż matematyka jest wyrafinowana, przewidywania są solidne i prawdopodobnie nie zmienią się.
Następną możliwością jest błąd w eksperymencie lub analizie. Fizycy na całym świecie już dokonują przeglądu wyników, próbując zrobić w nim dziury. Dodatkowo przyszłe eksperymenty w CERN mogą ostatecznie doprowadzić do bardziej precyzyjnych wyników, które potwierdzą lub odrzucą masę Fermilabu. Ale moim zdaniem eksperyment jest tak dobrym pomiarem, jak jest to obecnie możliwe.
Pozostaje ostatnia opcja: istnieją niewyjaśnione cząstki lub siły powodujące przesunięcie w górę masy bozonu W. Jeszcze przed tym pomiarem niektórzy teoretycy proponowali potencjalne nowe cząstki lub siły , które spowodują zaobserwowane odchylenie. W nadchodzących miesiącach i latach spodziewam się wielu nowych artykułów, które próbują wyjaśnić zagadkową masę bozonów W.
Jako fizyk cząstek mogę powiedzieć, że musi być więcej fizyki czekających na odkrycie poza Modelem Standardowym. Jeśli ten nowy wynik się utrzyma, będzie to najnowszy z serii ustaleń, pokazujący, że Model Standardowy i pomiary w świecie rzeczywistym często nie do końca do siebie pasują. To właśnie te tajemnice dają fizykom nowe wskazówki i nowe powody do poszukiwania pełniejszego zrozumienia materii, energii, przestrzeni i czasu.
John Conway jest eksperymentalnym fizykiem cząstek wysokich energii i jest obecnie zaangażowany w dwa duże eksperymenty: CDF w Fermilab Tevatron w Batavia w stanie Illinois oraz CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN w Genewie w Szwajcarii. Otrzymuje finansowanie z Departamentu Energii USA i Narodowej Fundacji Nauki USA.
Ten artykuł został ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Oryginalny artykuł można znaleźć tutaj .
