Самое точное на сегодняшний день измерение W-бозона потрясает основы физики элементарных частиц
Наше понимание того, как устроена Вселенная, только что было перевернуто с ног на голову: после 10 лет измерений и исследований в Фермилабе (США) фундаментальные элементы физики частиц, ответственные за массу W-бозона и, в частности, за массу радиоактивности, намного больше, чем предсказывает Стандартная модель. Было установлено, что. Она объясняет природу на самом базовом теоретическом уровне. Короче говоря, практика вовсе не подтверждает теорию. Она открывает новые пути к пониманию субатомной сферы.
Содержание статьи:
Предсказанный в 1960-х годах и открытый в 1983 году, W-бозон является фундаментальной частицей, слабо взаимодействующей со средней из четырех сил, которые управляют поведением материи во Вселенной. Он превращает протоны в нейтроны и наоборот.W-бозон можно рассматривать в контексте электротехники. Эта модель объединяет слабые ядерные и электромагнитные силы как двоюродные братья фотонов. Она является основой радиоактивности и, кроме того, реакций нуклеосинтеза, таких как те, которые приводят в движение Солнце и все звезды. Его масса ограничена другими наблюдаемыми параметрами, такими как заряд электрона и масса других частиц, например, бозона Хиггса.
Все эти частицы и силы связаны в определенный баланс, который представляет собой Стандартная модель. Поэтому точное знание массы W-бозона важно для проверки точности сделанных до сих пор предсказаний. Однако W-бозоны велики и нестабильны, что затрудняет прямые наблюдения в лабораторных столкновениях.
Со своей стороны, Стандартная модель была завершена в 2012 году, когда физический крупномасштабный бозонный коллайдер (бак) крупнейшего в мире ускорителя фундаментальных частиц обнаружил существование последней недостающей части — бозона Хиггса. Это было предсказано уже давно. Эта теория объясняет каждую частицу, которая до сих пор наблюдается, но страдает очевидными недостатками. Модель включает три силы — электромагнитную, сильную и слабую — но не учитывает гравитацию. Она также не учитывает темную материю. Это невидимая материя — 85% материи во Вселенной.
На этом фоне, чтобы более точно определить массу W-бозона физики из Университета Дьюка Ашутоша Кутобала, около 400 ученых проанализировали 4 миллиона фокусов W-бозона за 10 лет из набора данных. Около 4, 500 миллиардов столкновений». Их открытие опубликовано в журнале Science.
Перевес для элементарной частицы
После открытия 1983 года эксперименты вычислили, что бозон W имеет массу до 85 протонов. Однако его точную массу было трудно определить количественно. Ошибки в первой экспериментальной оценке составили более 5%. Все эти измерения находятся в согласии друг с другом и являются лишь очевидным подтверждением справедливости стандартной модели. Общепринятая масса костной ткани W составляет 80,379 Гюр/с², и хотя расхождение может показаться небольшим, новое значение является наиболее точным и сравнимо со взвешиванием с точностью до 10 граммов.
В частности, данные были взяты с детекторов Национальной ускорительной лаборатории Ферми (CDF), детектора частиц, работающего в Цибатроне коллайдера, который работал в Фермилабе с 1984 по 2011 год. Подобно коллайдерам в ЦЕРНе в Европе (где был найден бозон Хиггса), они позволяют частицам сталкиваться с феноменальными скоростями, разрушать и обнаруживать элементы, из которых они состоят.
Читайте также: Хаббл обеспечивает самое точное на сегодняшний день измерение расширения Вселенной
Астрономы уже почти столетие знают, что Вселенная расширяется. Чем больше расстояние между галактиками, тем быстрее они движутся. Скорость их движения в..
Таким образом, эти коллайдеры производят W-бозоны путем столкновения частиц с высокими энергиями. Эксперименты обычно обнаруживают их путем распада на мюоны, электроны или даже нейтрино. Нейтрино покидают детектор и не оставляют следов, в то время как электроны или мюоны оставляют видимый след. Во время распада большая часть начальной массы W-бозона преобразуется в энергию новой частицы. Если физики смогут измерить эту энергию и траекторию всех этих распадающихся частиц, они смогут быстро вычислить массу W-бозона, который их создал. Однако без возможности отслеживать нейтрино невозможно с уверенностью сказать, какая часть энергии электронов и лун попадает в массу W-бозона, а какая — в его импульс.
После 10 лет работы Ашутош Кутвал из 397 CDF и его коллеги обнаружили, что масса W-бозона составляет 80, 443,5 МэВ, или в 86 раз больше массы протона. Измерения отличаются от предсказанной массы из-за семи экспериментальных ошибок, и Ашутош Котвал сказал в заявлении: «Мы считаем, что этот конкретный показатель дает сильный намек на то, что приготовила для нас природа.»
Разница между теоретическими предсказаниями и экспериментальными значениями составляет всего 0,09%, но находится далеко за пределами погрешности результатов (менее 0,01%). Этот вывод также не согласуется с некоторыми другими измерениями массы. Другая команда подтверждает этот результат в трех экспериментах на БАК с использованием компактного мюонного соленоида (CMS) детектора. Гарри Клифф из Кембриджского университета утверждает, что «это единственный коллайдер с энергией, достаточной для получения W-бозонов».
Улучшенный анализ — ключ к открытию
Скорее, это открытие является результатом постоянного совершенствования анализа данных и лучшего понимания исследователями физики частиц и поведения протонов и антипротонов в столкновениях. Профессор Котвал, соавтор исследования, объясняет, что
Например, команда рассчитала энергию каждого свернутого электрона, измерив, как его орбита искажается магнитным полем. За последнее десятилетие орбитальное разрешение улучшилось с примерно 150 микрон до менее чем 30 микрон, — объясняет Котвал. Составив карту распределения энергии электронов, команда рассчитала массу W-бозона, которая лучше всего соответствует данным: 80 433 мегаэлектронвольт (МэВ), с ошибкой в 9,4 МэВ.
Однако физики БАК ранее указывали на недостатки программы под названием Resbos, которая использовалась в ZDP, но имеет улучшенную итерацию. Однако Котвал отмечает, что первоначальный метод был предварительно выбран исследователями ЦДФ, и было бы неправильно менять метод, чтобы результаты соответствовали теории. Поэтому этот вывод еще не подтвержден дальнейшими данными.
Новый кандидат в длинный список аномалий
Если результаты подтвердятся, они могут присоединиться к другим необъяснимым аномалиям. В прошлом году физики обнаружили несоответствия в магнитных свойствах субатомной частицы, известной как мюон, и реакцию, отличную от той, которую ожидают от другой субатомной частицы — даун-кварка.
Среди возможностей, которые в настоящее время рассматриваются экспертами для объяснения этих аномалий, — супернейминг (предсказание существования частицы-партнера для каждой частицы Стандартной модели), влияние неизвестных частиц, таких как бозоны Хиггса или даже частицы «темного сектора» — семейства — частиц, составляющих, в частности, темную материю.
Флоренс Канелли, экспериментатор по фундаментальным частицам в Цюрихском университете, Швейцария, утверждает, что «[измерение] очень захватывающее и является поистине монументальным результатом в нашей области». Поэтому, если другие эксперименты подтвердят его, это может стать первым крупным прорывом Стандартной модели физики частиц. Профессор Котбал заключает, что. «Это открытие может дать информацию о существовании новых взаимодействий и новых частиц, которые не были идентифицированы сегодняшними экспериментами. «
Поэтому нам нужно набраться терпения, чтобы получить подтверждение и хотя бы частичное понимание функционирования нашей Вселенной.
