«Вы можете сделать это быстро, вы можете сделать это дешево или вы можете сделать это правильно. Мы сделали это правильно». Это были некоторые из вступительных слов Дэвида Тобака, руководителя детектора коллайдеров в Фермилабе, когда он объявил о результатах десятилетнего эксперимента по измерению массы частицы, называемой W-бозоном .
Я физик частиц высоких энергий , и я являюсь частью команды из сотен ученых, которые построили и управляли детектором коллайдера в Фермилабе в Иллинойсе, известным как CDF.
После триллионов столкновений и лет сбора данных и обработки чисел команда CDF обнаружила, что масса W-бозона немного больше, чем ожидалось . Хотя расхождение крошечное, результаты, описанные в статье, опубликованной в журнале Science 7 апреля 2022 года, потрясли мир физики элементарных частиц . Если измерение правильное, это еще один сильный сигнал о том, что в физической головоломке о том, как устроена Вселенная, недостает кусочков.
Частица, несущая слабое взаимодействие
Стандартная модель физики элементарных частиц — это лучшая в настоящее время научная основа для основных законов Вселенной, которая описывает три основных взаимодействия : электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие.
Сильное взаимодействие удерживает атомные ядра вместе. Но некоторые ядра нестабильны и подвергаются радиоактивному распаду, медленно высвобождая энергию, испуская частицы. Этот процесс управляется слабым взаимодействием, и с начала 1900-х годов физики искали объяснение тому, почему и как распадаются атомы.
Согласно Стандартной модели силы передаются частицами. В 1960-х годах серия теоретических и экспериментальных прорывов показала, что слабое взаимодействие передается частицами, называемыми W- и Z-бозонами. Он также постулировал, что третья частица, бозон Хиггса, придает массу всем другим частицам, включая бозоны W и Z.
С момента появления Стандартной модели в 1960-х годах ученые просматривали список предсказанных, но еще не открытых частиц и измеряли их свойства. В 1983 году два эксперимента в ЦЕРНе в Женеве, Швейцария, зафиксировали первое свидетельство существования бозона W. Оказалось, что он имеет массу примерно атома среднего размера, такого как бром.
К 2000-м годам не хватало только одного элемента, чтобы завершить Стандартную модель и связать все воедино: бозон Хиггса. Я помогал искать бозон Хиггса в трех последовательных экспериментах, и, наконец, мы обнаружили его в 2012 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.
Стандартная модель была завершена, и все сделанные нами измерения прекрасно согласовывались с предсказаниями.
Измерение W-бозонов
Тестировать Стандартную модель весело. Вы просто сталкиваете частицы друг с другом при очень высоких энергиях. Эти столкновения на короткое время производят более тяжелые частицы, которые затем снова распадаются на более легкие. Физики используют огромные и очень чувствительные детекторы в таких местах, как Фермилаб и ЦЕРН, для измерения свойств и взаимодействий частиц, возникающих в результате этих столкновений.
В CDF бозоны W образуются примерно один раз из каждых 10 миллионов раз , когда сталкиваются протон и антипротон. Антипротоны — это версия протонов из антивещества с точно такой же массой, но противоположным зарядом. Протоны состоят из более мелких элементарных частиц, называемых кварками, а антипротоны состоят из антикварков. Именно столкновение между кварками и антикварками создает W-бозоны . W-бозоны распадаются так быстро, что их невозможно измерить напрямую. Поэтому физики отслеживают энергию, выделяемую при их распаде, чтобы измерить массу W-бозонов.
За 40 лет, прошедших с тех пор, как ученые впервые обнаружили свидетельства существования W-бозона, последовательные эксперименты достигли все более точных измерений его массы. Но только после измерения бозона Хиггса — поскольку он придает массу всем другим частицам — исследователи смогли сравнить измеренную массу W-бозона с массой, предсказанной Стандартной моделью . Предсказания и эксперименты всегда совпадали — до сих пор.
Неожиданно тяжелый
Детектор CDF в Fermilab отлично подходит для точного измерения W-бозонов. С 2001 по 2011 год ускоритель триллионы раз сталкивал протоны с антипротонами, производя миллионы W-бозонов и записывая как можно больше данных о каждом столкновении.
Команда Fermilab опубликовала первоначальные результаты , используя часть данных в 2012 году. Мы обнаружили, что масса немного отличается, но близка к предсказанию. Затем команда потратила десятилетие на кропотливый анализ полного набора данных. Процесс включал многочисленные внутренние перекрестные проверки и потребовал годы компьютерного моделирования. Чтобы избежать какой-либо предвзятости в анализе, никто не мог видеть никаких результатов, пока не был завершен полный расчет.
Когда мир физики наконец увидел результат 7 апреля 2022 года, мы все были удивлены. Физики измеряют массы элементарных частиц в миллионах электрон-вольт, сокращенно до МэВ. Масса бозона W оказалась равной 80 433 МэВ, что на 70 МэВ больше, чем предсказывает Стандартная модель. Это может показаться незначительным превышением, но точность измерения составляет 9 МэВ. Это отклонение почти в восемь раз превышает погрешность. Когда мы с коллегами увидели результат, нашей реакцией было громкое «вау!».
Что это означает для стандартной модели
The fact that the measured mass of the W boson doesn't match the predicted mass within the Standard Model could mean three things. Either the math is wrong, the measurement is wrong or there is something missing from the Standard Model.
First, the math. In order to calculate the W boson's mass, physicists use the mass of the Higgs boson. CERN experiments have allowed physicists to measure the Higgs boson mass to within a quarter-percent. Additionally, theoretical physicists have been working on the W boson mass calculations for decades. While the math is sophisticated, the prediction is solid and not likely to change.
The next possibility is a flaw in the experiment or analysis. Physicists all over the world are already reviewing the result to try to poke holes in it. Additionally, future experiments at CERN may eventually achieve a more precise result that will either confirm or refute the Fermilab mass. But in my opinion, the experiment is as good a measurement as is currently possible.
That leaves the last option: There are unexplained particles or forces causing the upward shift in the W boson's mass. Even before this measurement, some theorists had proposed potential new particles or forces that would result in the observed deviation. In the coming months and years, I expect a raft of new papers seeking to explain the puzzling mass of W bosons.
As a particle physicist, I am confident in saying that there must be more physics waiting to be discovered beyond the Standard Model. If this new result holds up, it will be the latest in a series of findings showing that the Standard Model and real-world measurements often don't quite match. It is these mysteries that give physicists new clues and new reasons to keep searching for fuller understanding of matter, energy, space and time.
John Conway is an experimental high energy particle physicist, and is presently engaged in two large experiments: CDF at the Fermilab Tevatron in Batavia, Illinois, and CMS at the Large Hadron Collider at CERN in Geneva, Switzerland. He receives funding from the U.S. Department of Energy and the U.S. National Science Foundation.
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Оригинал статьи вы можете найти здесь .
