Po 10 latach dokładnych analiz i badań, naukowcy współpracujący z CDF w Narodowym Laboratorium Akceleratora Fermiego Departamentu Energii USA ogłosili dzisiaj, że osiągnęli najdokładniejszy jak dotąd pomiar masy bozonu W, jednego z elementów przenoszących siły natury. cząstki. Korzystając z danych zebranych przez Detektor Zderzaczy w Fermilab (CDF), naukowcy określili teraz masę cząstki z dokładnością 0,01%, czyli dwa razy dokładniej niż poprzedni najlepszy pomiar. Odpowiada to pomiarowi wagi 800 funtów goryla do 1,5 uncji.
Nowy precyzyjny pomiar, opublikowany w czasopiśmie Science, pozwala naukowcom przetestować Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych, ramy teoretyczne opisujące naturę na jej najbardziej podstawowym poziomie. Wynik: nowa wartość masy pokazuje napięcie w stosunku do wartości, którą naukowcy uzyskują przy użyciu eksperymentalnych i teoretycznych danych wejściowych w kontekście Modelu Standardowego.
„Liczba ulepszeń i dodatkowych kontroli, które wpłynęły na nasz wynik, jest ogromna” – powiedział Ashutosh V. Kotwal z Duke University, który prowadził tę analizę i jest jednym z 400 naukowców współpracujących z CDF. „Wzięliśmy pod uwagę nasze lepsze zrozumienie naszego detektora cząstek, a także postęp w teoretycznym i eksperymentalnym zrozumieniu interakcji bozonu W z innymi cząstkami. Kiedy w końcu ujawniliśmy wynik, okazało się, że różni się on od przewidywań Modelu Standardowego”.
Jeśli zostanie potwierdzony, pomiar ten sugeruje potencjalną potrzebę ulepszeń w obliczeniach Modelu Standardowego lub rozszerzeń modelu.
Nowa wartość jest zgodna z wieloma poprzednimi pomiarami mas bozonów W, ale są też pewne rozbieżności. Potrzebne będą przyszłe pomiary, aby rzucić więcej światła na wynik.
„Chociaż jest to intrygujący wynik, pomiar musi zostać potwierdzony innym eksperymentem, zanim będzie można go w pełni zinterpretować” – powiedział zastępca dyrektora Fermilab Joe Lykken.
Bozon W jest cząstką przekaźnikową słabego oddziaływania jądrowego. Odpowiada za procesy jądrowe, które powodują, że słońce świeci i cząstki ulegają rozpadowi. Wykorzystując zderzenia cząstek wysokoenergetycznych wytworzonych przez zderzacz Tevatron w Fermilab, współpraca CDF zebrała ogromne ilości danych zawierających bozony W w latach 1985-2011.
Fizyk CDF, Chris Hays z Uniwersytetu Oksfordzkiego, powiedział: „Pomiar CDF był wykonywany przez wiele lat, a zmierzona wartość była ukryta przed analizatorami, dopóki procedury nie zostały w pełni zbadane. Kiedy odkryliśmy tę wartość, była to niespodzianka. “
Masa bozonu W jest około 80 razy większa od masy protonu, czyli około 80 000 MeV/c2. Badacze CDF od ponad 20 lat pracują nad coraz dokładniejszymi pomiarami masy bozonu W. Wartość centralna i niepewność ich ostatniego pomiaru masy wynosi 80 433 +/- 9 MeV/c2. Ten wynik wykorzystuje cały zestaw danych zebranych ze zderzacza Tevatron w Fermilab. Opiera się na obserwacji 4,2 miliona kandydatów na bozon W, około czterokrotnie więcej niż użyto w analizie współpracy opublikowanej w 2012 roku.
„Wiele eksperymentów dotyczących zderzaczy dało pomiary masy bozonu W w ciągu ostatnich 40 lat” – powiedział współrzecznik CDF Giorgio Chiarelli z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN-Pisa). „Są to trudne, skomplikowane pomiary, które osiągnęły coraz większą precyzję. Wiele lat zajęło nam przeanalizowanie wszystkich szczegółów i niezbędnych kontroli. utrzymuje się.”
W ramach współpracy porównano również ich wynik z najlepszą oczekiwaną wartością masy bozonu W przy użyciu Modelu Standardowego, która wynosi 80 357 ± 6 MeV/c2. Wartość ta jest oparta na złożonych obliczeniach Modelu Standardowego, które w zawiły sposób łączą masę bozonu W z pomiarami mas dwóch innych cząstek: kwarka górnego, odkrytego w zderzaczu Tevatron w Fermilabie w 1995 roku, oraz bozonu Higgsa, odkrytego Wielki Zderzacz Hadronów w CERN w 2012 roku.
Współrzecznik CDF, David Toback, Texas A&M, stwierdził, że wynik jest ważnym wkładem w testowanie dokładności Modelu Standardowego. „Teraz od społeczności fizyków teoretycznych i innych eksperymentów należy zbadanie tego i rzucenie światła na tę tajemnicę” – dodał. „Jeśli różnica między wartością eksperymentalną a oczekiwaną wynika z jakiejś nowej interakcji cząstek lub subatomów, co jest jedną z możliwości, istnieje duża szansa, że jest to coś, co można odkryć w przyszłych eksperymentach”.