Масса W-бозона не указала на Новую физику

Два с половиной года назад физики из коллаборации CDF объявили о том, что они достигли наиболее точного на тот день измерения массы W-бозона, одного из переносчиков сил природы. Используя данные, собранные детектором коллайдера в Фермилабе, ученые определили массу частицы в два раза точнее, чем предыдущее лучшее измерение.

Полученный тогда результат говорил о том, что значение массы показывало противоречие со значением, полученным учеными с использованием экспериментальных и теоретических данных в контексте стандартной модели.

Теперь, новое точное измерение массы W-бозона с помощью эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS) на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРНа развеяло тайну массы фундаментальной частицы.

Полученный результат согласуется с прогнозами, сделанными в Стандартной модели.

Измеренная масса W-бозона составляет 80 360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольт (МэВ). Для сравнения, это чуть меньше одного атома серебра. Согласно прогнозам Стандартной модели, масса W-бозона составляет 80 357 ± 6 МэВ.

W-бозоны относятся к числу фундаментальных частиц в Стандартной модели, которая описывает все основные строительные блоки Вселенной. Они являются переносчиками слабого ядерного взаимодействия.

Понимание массы W-бозона позволяет ученым понять взаимодействие сил и частиц. Это включает в себя напряженность поля Хиггса (отвечающего за придание всем частицам их массы) и слияние слабого взаимодействия с электромагнетизмом.

«Вся Вселенная — это тонкий баланс», — говорит Анади Канепа, заместитель представителя эксперимента CMS и старший научный сотрудник Национальной исследовательской лаборатории Ферми (Fermilab). «Если масса W-бозона отличается от того, что мы ожидаем, то могут быть задействованы новые частицы или силы».

Но если и будет найдена новая, экзотическая физика, то измерения CMS предполагают, что она не будет находиться в массе W-бозона.

Большинство фундаментальных частиц существуют лишь долю секунды, прежде чем они распадутся на другие частицы. Физики вычисляют их массы в экспериментах с коллайдерами, измеряя общую массу частиц, на которые они распадаются.

Это хорошо работает для частиц, таких как «брат» W-бозона, Z-бозон. Но W-бозоны создают проблему – одним из продуктов их распада является нейтрино.

«Нейтрино, как известно, трудно измерить», — говорит Джош Бендавид, ученый из Массачусетского технологического института, который работал над анализом. «В экспериментах на коллайдере нейтрино остается незамеченным, поэтому мы можем работать только с половиной картины».

Чтобы обойти эту проблему, физикам приходится использовать моделирование столкновений на БАК в дополнение к экспериментальным данным. В прошлом физики использовали Z-бозоны в качестве замены W-бозонов в своих симуляциях. Но это добавляет неопределенности в теоретические модели.

«Z- и W-бозоны являются братьями и сестрами, но не близнецами», — говорят ученые. Чтобы уменьшить неопределенность, коллаборация CMS использовала только реальные данные W-бозонов для построения своих теоретических моделей.

«Мы смогли сделать это эффективно благодаря сочетанию большого набора данных, опыта, полученного в ходе более раннего исследования W-бозонов, и последних теоретических разработок», — объясняет Джош Бендавид. «Это позволило нам освободиться от Z-бозона в качестве нашей точки отсчета».

Результаты исследования опубликованы на сайте CMS Collaboration.