Po nieoczekiwanym pomiarze dokonanym przez Collider Detector w eksperymencie Fermilab (CDF) w 2022 r. fizycy z eksperymentu Compact Muon Solenoid (CMS) w Large Hadron Collider (LHC) ogłosili dziś nowy pomiar masy bozonu W, jednej z naturalnych cząstek przenoszących siły. Ten nowy pomiar, który jest pierwszym pomiarem eksperymentu CMS, wykorzystuje nową technikę, która czyni go najbardziej szczegółowym badaniem masy bozonu W do tej pory. Po prawie dekadzie analiz CMS odkrył, że masa bozonu W jest zgodna z przewidywaniami, ostatecznie rozwiązując wieloletnią zagadkę. Zobacz opublikowany artykuł.
Ostateczna analiza wykorzystała 300 milionów zdarzeń zebranych z przebiegu LHC w 2016 r. i 4 miliardy symulowanych zdarzeń. Na podstawie tego zestawu danych zespół zrekonstruował, a następnie zmierzył masę ponad 100 milionów bozonów W. Odkryli, że masa bozonu W wynosi 80 360,2 ± 9,9 megaelektronowoltów (MeV), co jest zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego wynoszącymi 80 357 ± 6 MeV. Przeprowadzili również oddzielną analizę, która weryfikuje założenia teoretyczne.
„Nowy wynik CMS jest wyjątkowy ze względu na precyzję i sposób, w jaki określiliśmy niepewności” — powiedziała Patty McBride, wybitna naukowiec z Fermi National Research Laboratory w Departamencie Energii USA i była rzeczniczka CMS. „Dużo się nauczyliśmy od CDF i innych eksperymentów, które pracowały nad kwestią masy bozonu W. Stoimy na ich barkach i to jest jeden z powodów, dla których możemy zrobić duży krok naprzód w tym badaniu”.
Od czasu odkrycia bozonu W w 1983 roku fizycy zmierzyli jego masę w 10 różnych eksperymentach.
Bozon W jest jednym z kamieni węgielnych Modelu Standardowego, teoretycznego szkieletu opisującego naturę na jej najbardziej podstawowym poziomie. Dokładne zrozumienie masy bozonu W pozwala naukowcom na mapowanie wzajemnego oddziaływania cząstek i sił, w tym siły pola Higgsa i połączenia elektromagnetyzmu ze słabą siłą, która odpowiada za rozpad radioaktywny.
„Cały wszechświat to delikatny akt równowagi” – powiedziała Anadi Canepa, zastępca rzecznika eksperymentu CMS i starszy naukowiec w Fermilab. „Jeśli masa W jest inna niż się spodziewamy, mogą być w to zaangażowane nowe cząstki lub siły”.
Nowy pomiar CMS ma precyzję 0,01%. Ten poziom precyzji odpowiada pomiarowi ołówka o długości 4 cali do 3,9996–4,0004 cala. Jednak w przeciwieństwie do ołówków bozon W jest cząstką fundamentalną bez fizycznej objętości i masą mniejszą niż pojedynczy atom srebra.
„Ten pomiar jest niezwykle trudny do wykonania” – dodał Canepa. „Potrzebujemy wielu pomiarów z wielu eksperymentów, aby sprawdzić wartość”.
Eksperyment CMS wyróżnia się na tle innych eksperymentów, w których dokonano tego pomiaru, ze względu na kompaktową konstrukcję, specjalistyczne czujniki cząstek elementarnych zwanych mionami oraz niezwykle silny magnes solenoidowy, który zakrzywia trajektorie cząstek naładowanych podczas ich ruchu przez detektor.
„Mogliśmy to zrobić skutecznie dzięki połączeniu większego zestawu danych, doświadczenia, jakie zdobyliśmy dzięki wcześniejszemu badaniu bozonu W, i najnowszych osiągnięć teoretycznych” — powiedział Bendavid. „To pozwoliło nam uwolnić się od bozonu Z jako punktu odniesienia”.
W ramach tej analizy zbadano również 100 milionów śladów rozpadów dobrze znanych cząstek, aby skalibrować na nowo ogromną część detektora CMS, aż do momentu, gdy stał się o rząd wielkości dokładniejszy.
„Ten nowy poziom precyzji pozwoli nam wykonywać krytyczne pomiary, takie jak te obejmujące bozony W, Z i Higgsa, z większą dokładnością” – powiedział Manca.
Największym wyzwaniem w analizie była jej czasochłonność, ponieważ wymagała stworzenia nowej techniki analizy i niezwykle dogłębnego zrozumienia detektora CMS.
„Rozpocząłem te badania jako student letni, a teraz jestem na trzecim roku jako postdoktorant” – powiedział Manca. „To maraton, nie sprint”.
Eksperyment Compact Muon Solenoid (CMS) jest częściowo finansowany przez Office of Science Department of Energy i National Science Foundation. Jest to jeden z dwóch dużych eksperymentów ogólnego przeznaczenia w Large Hadron Collider (LHC) w CERN, European Particle Physics Laboratory.
Więcej informacji: Pomiar masy bozonu W w zderzeniach proton-proton przy √s= 13 TeV