Новое измерение массы Z-бозона на БАК

Физика элементарных частиц стоит на пороге новой эры прецизионных (обладающих высокой точностью) измерений. Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) совершил важный прорыв, впервые целенаправленно измерив массу Z-бозона в условиях протон-протонных столкновений. Результат, опубликованный в Physical Review Letters, не только подтверждает предсказания Стандартной модели с беспрецедентной точностью, но и демонстрирует потенциал БАК в исследованиях, которые ранее считались прерогативой электрон-позитронных коллайдеров.

Z-бозон — одна из ключевых частиц в современной физике. Открытый более 40 лет назад на ускорителе SPS в ЦЕРНе, он сыграл решающую роль в подтверждении электрослабой теории, за что Карло Руббиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию в 1984 году.

Будучи переносчиком слабого взаимодействия, Z-бозон участвует в процессах, определяющих структуру материи, включая радиоактивный бета-распад. Его масса, около 91 ГэВ (почти в 97 раз больше, чем масса протона), является критическим параметром для проверки Стандартной модели и поиска отклонений, которые могут указать на новую физику — например, на существование дополнительных измерений или темной материи.

До сих пор самые точные измерения массы Z-бозона выполнялись на электрон-позитронном коллайдере LEP (Large Electron-Positron Collider), где точность достигала 2 МэВ. Однако БАК, работающий на протонных пучках, сталкивается с гораздо более сложными условиями: в каждом столкновении рождается множество вторичных частиц, создающих «шум» для точных измерений. Несмотря на это, коллаборации LHCb удалось измерить массу в 91 184,2 миллиона электронвольт (МэВ) с погрешностью всего 9,5 МэВ — или около сотой доли процента, проанализировав 174 000 событий распада Z-бозона на пары мюонов.

Этот результат не только согласуется с данными LEP и эксперимента CDF на Теватроне, но и открывает новые возможности для будущих исследований. В частности, ожидается, что анализы экспериментов ATLAS и CMS смогут улучшить точность измерений, а планируемый кольцевой электрон-позитронный коллайдер FCC-ee в ЦЕРНе — снизить погрешность до 0,1 МэВ.

Таким образом, успех LHCb знаменует важный шаг в развитии прецизионной физики на адронных коллайдерах. Он не только укрепляет доверие к Стандартной модели, но и прокладывает путь к новым открытиям, которые, возможно, изменят наше понимание фундаментальных законов Вселенной.