Новое измерение массы W-бозона подтверждает Стандартную модель

Международная группа ученых, включая физиков из Массачусетского технологического института, провела новое сверхточное измерение массы W-бозона на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Исследователи обнаружили, что масса частицы составляет 80360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольт, что полностью соответствует предсказаниям Стандартной модели и опровергает аномальное измерение 2022 года. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Когда фундаментальные частицы оказываются тяжелее или легче ожидаемого, понимание физиками Вселенной может измениться. Частица с неверной массой способна разрушить теории о силах, управляющих материей и пространством. Однако новое измерение восстановило равновесие, подтвердив Стандартную модель для одного из главных строительных блоков мироздания.

W-бозон это одна из двух элементарных частиц, воплощающих слабое взаимодействие, которое является одной из четырех фундаментальных сил природы. Слабое взаимодействие позволяет частицам менять свою идентичность, например, превращаться из протонов в нейтроны и наоборот. Именно это изменение приводит к радиоактивному распаду, а также к термоядерному синтезу, который питает звезды.

Ученые определили массу W-бозона, проанализировав более миллиарда столкновений протонов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Уловить W-бозон практически невозможно, поскольку он распадается почти мгновенно на два типа частиц, одна из которых, нейтрино, настолько неуловима, что ее нельзя обнаружить напрямую. Поэтому физикам приходится измерять другую частицу — мюон, и моделировать, как его масса и импульс соотносятся с массой родительского бозона.

В новом исследовании команда использовала детектор CMS, который точно отслеживает мюоны и другие частицы. Из миллиардов столкновений ученые выявили 100 миллионов событий, в которых W-бозон распадался на мюон и нейтрино. Для каждого такого события они провели детальный анализ, чтобы восстановить массу исходной частицы. В итоге масса W-бозона была определена как 80360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольт. Этот результат полностью соответствует предсказаниям Стандартной модели — главного свода правил физиков для описания фундаментальных частиц и сил природы.

Точность нового измерения сопоставима с предыдущим экспериментом, проведенным в 2022 году детектором CDF в Фермилабе. То измерение стало неожиданностью, так как показало массу значительно больше предсказанной Стандартной моделью, что открывало возможность существования новой физики — пока неизвестных частиц и сил. Однако новые данные CMS, согласующиеся со Стандартной моделью и с большинством других экспериментов, возвращают ситуацию в равновесие. «Честно говоря, это огромное облегчение», — говорит Кеннет Лонг, ведущий автор исследования из MIT. «Эти новые измерения являются убедительным подтверждением того, что мы можем доверять Стандартной модели».

Работа велась около 10 лет и включала создание 4 миллиардов смоделированных событий, в которых ученые перебирали все возможные сценарии поведения мюона в хаотической среде ускорителя. Команда сравнила эти симуляции с реальными данными, полученными на БАК в 2016 году, и после тщательного анализа получила новое значение массы. Хотя исследователи признают, что эксперимент CDF остается самым точным отдельным измерением на сегодня, совокупность всех остальных результатов, включая новый, заставляет большинство физиков сделать ставку в пользу Стандартной модели.

Коротко о результате исследования: новое измерение массы W-бозона, проведенное коллаборацией CMS, подтвердило предсказания Стандартной модели и сняло напряжение, возникшее после аномального результата 2022 года. Это укрепило доверие физиков к существующей теории фундаментальных частиц и сил, хотя ученые намерены продолжать измерения, чтобы достичь еще большей точности и окончательно прояснить картину.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях