Nagła masa cząstki grozi wywróceniem Modelu Standardowego do góry nogami

Z miejsca spoczynku poza Chicago, Illinois, dawno wygasły eksperyment grozi zepsuciem pola cząstek elementarnych. Fizycy pracowali przez dziesięć lat, aby wydobyć kluczowy nowy pomiar ze starych danych eksperymentu, a wyniki są już dostępne. Zespół odkrył, że bozon W – podstawowa cząstka przenosząca słabe oddziaływanie jądrowe – jest znacznie cięższy niż teoria. Oczekiwać.

Chociaż różnica między przewidywaniem teoretycznym a wartością eksperymentalną wynosi tylko 0,09%, jest znacznie większa niż marginesy błędu dla wyniku, które są mniejsze niż 0,01%. Wynik jest również niezgodny z niektórymi innymi pomiarami masy. Współpraca, która przeprowadziła najnowszy eksperyment, nazwany CDF w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), poinformowała o wynikach w wiedzieć¹ 7 kwietnia

Pomiar jest „bardzo ekscytującym i naprawdę ogromnym wynikiem w naszej dziedzinie” – mówi Florencia Canelli, eksperymentalna fizyka cząstek na Uniwersytecie w Zurychu w Szwajcarii. Jeśli potwierdzą to inne eksperymenty, może to być pierwszy poważny przełom w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, teorii, która odniosła niesamowity sukces od czasu jej wprowadzenia w latach 70. XX wieku. Wiadomo, że Model Standardowy jest niekompletny, a każda oznaka jego niepowodzenia może wskazywać drogę do jego zastąpienia i istnienia nowych cząstek elementarnych. „Sądzimy, że w tym konkretnym pomiarze istnieją mocne dowody na to, co natura może dla nas przygotować” – mówi Ashutosh Kotwal, eksperymentalny fizyk cząstek z Duke University w Durham w Północnej Karolinie, który kierował badaniem CDF.

Niektórzy fizycy zwracają uwagę na ostrożność. Wiadomo, że generowanie pomiaru masy bozonu W na podstawie danych eksperymentalnych jest złożone. Chociaż praca jest imponująca, „byłbym ostrożny, interpretując dużą różnicę w Modelu Standardowym jako oznakę nowej fizyki”, mówi Matthias Schütte, fizyk z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Mainz w Niemczech, który pracuje nad eksperymentem ATLAS na CERN, laboratorium fizyczne Cząstki w Europie, niedaleko Genewy, Szwajcaria. Fizycy powinni priorytetowo ustalić, dlaczego wartość różni się od innych ostatnich wyników, mówi.

cząstki przybierania na wadze

Od jego odkrycia w 1983 roku eksperymenty obliczyły, że bozon W waży aż 85 protonów. Ale jego dokładna masa była trudna do określenia ilościowego: pierwsze oszacowanie empiryczne miało margines błędu wynoszący 5% lub więcej. „Pomiar masy bozonu W jest prawdopodobnie najtrudniejszym do zmierzenia czynnikiem w naszym polu”, mówi Mika Vestrinen, fizyk cząstek z University of Warwick w Wielkiej Brytanii, który pracuje nad tym pomiarem w eksperymencie CERN LHCb.

Wraz ze swoim kuzynem, bozonem Z, W uczestniczy w większości typów reakcji jądrowych, w tym Fuzja, która zasila słońce. Bozony W i Z przenoszą słabe oddziaływanie jądrowe – jedną z czterech podstawowych sił natury – podobnie jak każde oddziaływanie elektromagnetyczne obejmuje wymianę fotonów.

Zderzacze wytwarzają bozony W, rozbijając cząstki przy wysokich energiach. Eksperymenty zwykle wykrywają go, rozkładając go na rodzaj elektronu lub jego cięższego kuzyna, mion, a także neutrino. Neutrino bez śladu ucieka z detektora, podczas gdy elektron lub mion pozostawiają wyraźną ścieżkę.

W procesie rozpadu większość pierwotnej masy W jest przekształcana w energię nowych cząstek. Jeśli fizycy potrafią zmierzyć tę energię i trajektorię każdej cząstki rozpadu, mogą natychmiast obliczyć masę W, którą wytworzyła. Ale bez możliwości śledzenia neutrina nie mogą powiedzieć, która część elektronu lub energii mionu pochodzi z masy W, a jaka z jego pędu. To sprawia, że ​​pomiar jest „niezwykle trudny”, mówi Vesterinen. „Próbujesz zbudować masę, kiedy widzisz tylko połowę rozpadu”.

Stare doświadczenie, nowe sztuczki

W ostatnich pracach Kotwal i jego współpracownicy dążyli do jak najdokładniejszego pomiaru masy W. Wszystkie dane zostały zebrane do 2011 roku, kiedy Tevatron Fermilab – 6-kilometrowa okrągła maszyna, która zderzała protony z antyprotonami i była niegdyś najpotężniejszym akceleratorem na świecie – wyłącza się. Cotwal twierdzi, że to drugie nie było wtedy możliwe. Jest to raczej wynik ciągłego doskonalenia technik analizy danych, a także lepszego zrozumienia przez społeczność fizyków cząstek elementarnych, jak zachowują się protony i antyprotony w zderzeniach. „Wiele technik pozwalających na osiągnięcie tego rodzaju precyzji nie nauczyliśmy się nawet do 2012 roku”.

Zespół przyjrzał się prawie 4 milionom bozonów wytworzonych w detektorze CDF wyprodukowanym w 2002 i 2011 roku — zestaw danych czterokrotnie większy niż ten, który wykorzystano w pierwszym pomiarze w 2012 roku.². Obliczyli energię każdego rozpadu elektronu, mierząc, jak jego ścieżka zakrzywia się w polu magnetycznym. Kotwal mówi, że jednym żmudnym osiągnięciem w ciągu ostatniej dekady była poprawa dokładności torów z około 150 mikronów do mniej niż 30 mikronów.

Po zmapowaniu rozkładu energii elektronów zespół obliczył masę bozonu najlepiej pasującą do danych. Było to 80 433 MeV, z marginesem błędu zaledwie 9,4 MeV.

Wyniki dołączają do zestawu pomiarów masy W produkowanych przez każdy czołowy zderzacz cząstek na całym świecie; Dokładność poprawiła się od czasu odkrycia cząstki w CERN. Naukowcy pracujący nad CDF i DZero, innym ważnym detektorem Tevatron, wcześniej opublikowali mniej dokładne pomiary masy W^2I3. Eksperymenty ATLAS i LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN, najpotężniejszym na świecie akceleratorze, również opublikowały własne wartości.^4I5.

Najnowszy wynik CDF twierdzi, że podwaja dokładność poprzedniego rekordzisty, pomiaru ATLAS 80 370 MeV z marginesem ± 19. Wynik jest jednak niezgodny z wieloma poprzednimi pomiarami, z których wszystkie były zgodne z teoretyczną najlepszą prognozą 80 357 MeV. ATLAS i LHCb aktualizują pomiary bozonu W i w ciągu kilku lat powinny być w stanie osiągnąć dokładność wyniku CDF, mówi Vesterinen, i może to potwierdzić lub zakwestionować.

Różnica między eksperymentami polega na tym, jak zespoły modelują produkcję bozonu W, co wpływa na obliczenia masy. Fizycy z Wielkiego Zderzacza Hadronów wskazywali wcześniej na wady programu używanego przez CDF, zwanego Resbos; Istnieje ulepszona iteracja. Ale Kotwal mówi, że badacze CDF wybrali pierwotną technikę zbyt dawno temu i błędem była zmiana technik tak, aby wynik był zgodny z teorią.

Zwiastunem problemów teoretycznych

Jeśli wynik masowy się utrzyma, teoretycy będą mieli dzień w terenie. Fizycy teoretyczni stworzyli dużą liczbę hipotetycznych rozszerzeń lub poprawek do Modelu Standardowego, aw wielu przypadkach przewidują one również inną masę bozonu W w porównaniu z teorią waniliową. „Blok W to idealne miejsce do poszukiwania nowej fizyki i odchyleń od Modelu Standardowego” – mówi Sven Heinemeyer, badacz teoretyczny w Instytucie Fizyki w Kantabrii w Hiszpanii.

Ulubionym wyjaśnieniem tej rozbieżności według Heinemeiera jest supersymetria, model, który przewiduje cięższego partnera dla każdej cząstki w Modelu Standardowym. Takie cząstki mogą stale wyskakiwać z przestrzeni wokół cząstki W, czyniąc ją cięższą.

Inne możliwe wyjaśnienia odnoszą się do cząstki Higgsa, innego bozonu odkrytego przez LHC w 2012 roku. Jeśli właściwości Higgsa różnią się od tych, które są obecnie teoretyczne – na przykład, czy jest to złożona cząstka, a nie element elementarny, lub jeśli wiele wersji istnieje – wpłynęłoby to na blok W.

Inny duży eksperyment LHC, zwany CMS, pracuje nad własnym pomiarem masy bozonu W, mówi Canelli, główny badacz we współpracy CMS (Canelli jest również członkiem współpracy CDF, ale nie był zaangażowany w tworzenie najnowszy wynik w celu uniknięcia konfliktu interesów). „To jeden z najważniejszych pomiarów z naszego programu fizyki”.