Самое точное измерение массы W-бозона предполагает, что стандартная модель нуждается в улучшении
После 10 лет анализа и тщательного изучения ученые из коллаборации CDF объявили о том, что они достигли наиболее точного на сегодняшний день измерения массы бозона W, одного из переносчиков сил природы. Используя данные, собранные детектором коллайдера в Фермилабе, или CDF, ученые теперь определили массу частицы с точностью 0,01% — в два раза точнее, чем предыдущее лучшее измерение.
Новое измерение, опубликованное в журнале Science, позволяет ученым проверить стандартную модель физики элементарных частиц, теоретическую основу, описывающую природу на ее самом фундаментальном уровне.
Результат говорит о том, что новое значение массы показывает противоречие со значением, полученным учеными с использованием экспериментальных и теоретических данных в контексте стандартной модели.
«Количество улучшений и дополнительных проверок, которые вошли в наш результат, огромно», — говорят исследователи. «Мы приняли во внимание наше лучшее понимание детектора частиц, а также достижения в теоретическом и экспериментальном понимании взаимодействия бозона W с другими частицами. Когда мы наконец обнародовали результат, мы обнаружили, что он отличается от предсказания стандартной модели».
В случае подтверждения результата, это измерение будет указывать на потенциальную потребность в улучшении расчетов стандартной модели или расширении модели.
«Хотя это интригующий результат, измерение должно быть подтверждено другим экспериментом, прежде чем его можно будет полностью интерпретировать», — сказал заместитель директора Фермилаб Джо Ликкен.
Бозон W является частицей, которая передает слабое ядерное взаимодействие. Он отвечает за ядерные процессы, из-за которых светит солнце и распадаются частицы. Используя столкновения высокоэнергетических частиц, производимые коллайдером Тэватрон в Фермилабе, коллаборация CDF собрала огромное количество данных, содержащих W-бозоны, с 1985 по 2011 год.
Физик CDF Крис Хейс из Оксфордского университета сказал: «Измерение CDF проводилось в течение многих лет, при этом измеренное значение было скрыто от анализаторов до тех пор, пока процедуры не были полностью изучены. Когда мы обнаружили значение, это было неожиданностью. »
Масса бозона W примерно в 80 раз больше массы протона, или примерно 80 000 MeV/c2. Исследователи CDF работали над достижением все более точных измерений массы W-бозона более 20 лет.
Центральное значение и неопределенность их последнего измерения массы составляет 80 433 +/- 9 MeV/c2. Этот результат использует весь набор данных, собранный с коллайдера Тэватрон в Фермилабе. Он основан на наблюдении 4,2 миллиона кандидатов в бозоны W, что примерно в четыре раза превышает число, использованное в анализе, опубликованном коллаборацией в 2012 году.
«За последние 40 лет во многих экспериментах на коллайдерах были получены измерения массы бозона W», — сказал Джорджио Кьярелли, представитель CDF из итальянского национального института ядерной физики (INFN-Pisa).
«Это сложные измерения, и они позволяют достичь еще большей точности. Нам потребовалось много лет, чтобы пройти все детали и необходимые проверки. Это наше самое надежное измерение на сегодняшний день, и расхождение между измеренными и ожидаемыми значениями сохраняется».
Коллаборация также сравнила свой результат с лучшим значением, ожидаемым для массы W-бозона с использованием стандартной модели, которое составляет 80 357 ± 6 MeV/c2. Это значение основано на сложных расчетах стандартной модели, которые связывают массу бозона W с измерениями масс двух других частиц: топ-кварка, открытого на коллайдере Тэватрон в Фермилабе в 1995 году, и бозона Хиггса, открытого в Большом адронном коллайдере в 2012 году.
Представитель CDF Дэвид Тобак заявил, что результат является важным вкладом в проверку точности стандартной модели.
«Теперь дело за сообществом теоретической физики и другими экспериментами, чтобы проследить за этим и пролить свет на эту тайну», — добавил он. «Если разница между экспериментальным и ожидаемым значением связана с каким-то новым взаимодействием частиц или субчастиц, что является одной из возможностей, есть большая вероятность, что это что-то, что можно будет обнаружить в будущих экспериментах».
Исследование было опубликовано в журнале Science.