Новий експериментальний результат потряс світ фізики частинок. Виявилося, що W-бозон набагато важчий, ніж ми думали.
Такий висновок кидає виклик, здавалося б, найуспішнішій і перевіреній на сьогоднішній день теорії про будову Всесвіту - Стандартній моделі.
І хоча одного цього експерименту недостатньо для повалення теорії, проте він вказує на теорію, яка може це зробити, - пише Мартін Бауер.
Як вимірювали масу W-бозона
Нещодавно масу W-бозона було виміряно детектором колайдера у Фермілабі з безпрецедентною точністю і дивовижним результатом.
Результати досліду неймовірно розходяться з усіма попередніми вимірами маси W-бозона, але цього разу немає ніякої випадковості.
Для того, щоб дати уявлення про точність останнього вимірювання і про те, наскільки малоймовірно, що цей результат є помилкою, подумайте ось про що: якщо ви зважуєте себе кілька разів на різних вагах, ви очікуєте побачити певну розбіжність.
Але така розбіжність, як між останнім і попередніми вимірами маси W-бозона, статистично виникає тільки після 1 мільярда дослідів.
Точне вимірювання властивостей W-бозона дуже важливе.
Маса W-бозона впливає на багато розрахунків - від ядерного синтезу всередині зірок до вуглецевого датування, тобто на багато розрахунків, які лежать в основі нашого розуміння Всесвіту.
Наприклад, його маса пов'язана з часом життя інших частинок, а це важливо для розуміння того, як розвивався Всесвіт після Великого вибуху.
Але, можливо, найбільш значущим наслідком вимірювання маси W-бозона є те, що воно суперечить Стандартній моделі.
Що таке W-бозони, і чому їх важко виміряти?
W-бозон - це фундаментальна частинка, що опосередковує слабку взаємодію, яку ми ніколи не відчуваємо безпосередньо, оскільки вона діє тільки на субатомних відстанях.
Усі інші відомі фундаментальні сили породжують пов'язані системи: наприклад, сонячні системи, пов'язані разом гравітацією; атоми, пов'язані електромагнітизмом; атомні ядра, "стиснуті" сильною взаємодією.
Слабка ядерна взаємодія не призводить до виникнення аналогічних пов'язаних систем, але має вирішальне значення для природних явищ, що впливають на наше повсякденне життя.
Процес термоядерного синтезу на Сонці ініціюється перетворенням водню на важкий водень під дією слабкої сили.
Без W-бозона Сонце було б дуже тьмяним.
Усі відомі нам атоми складаються з протонів, нейтронів та електронів, проте навколо існує безліч різних частинок. Чому вони ніколи не утворюють атоми або складніші структури? Тому що вони швидко розпадаються під дією слабкої сили.
Її унікальність полягає в тому, що W-бозон може змінювати заряди інших частинок, з якими він взаємодіє. Він у змозі перетворити електрон (заряд -1) на нейтрино (заряд 0) або нейтрон (заряд 0) на протон (заряд +1).
Такі методи, як радіовуглецеве датування, безпосередньо залежать від цієї властивості. Повільний розпад нейтронів у протони в ізотопах вуглецю дає нам змогу визначати час археологічних артефактів, що було б неможливо без W-бозона.
Виміряти масу W-бозона безпосередньо надзвичайно складно.
Настільки, що експериментатори охрестили проведений дослід "найважчим вимірюванням у фізиці високих енергій".
З кількох причин:
- W-бозони дуже важкі для елементарних частинок. Один W-бозон важить у 80 разів більше за протон.
- Прискорювачі - єдине місце у світі, де можна задіяти величезну енергію для їхнього виробництва. Але W-бозони миттєво розпадаються, і визначення їхньої маси вимагає вимірювання продуктів розпаду з подальшим відновленням самих вимірювань.
- Що ще гірше, колайдери, які "створюють" W-бозони, неминуче виробляють також сотні й сотні інших частинок. З'ясувати, чи був виміряний W-бозон, і визначити його масу - все одно, що знайти з'єднані шматочки головоломки у величезній коробці, а потім правильно їх скласти за умови відсутності більшості компонентів.
Фізика високих енергій: результати CDF
Колаборація Collider Detector at Fermilab (CDF) виконала величезну роботу з набором даних із чотирьох мільйонів W-бозонів, зібраних із 2002 до 2011 року на Теватроні у Фермілабі.
Зважування W-бозона зайняло більше десяти років. Але результати вражають. CDF не тільки забезпечили найточніший вимір маси W, якого коли-небудь було досягнуто, а й продемонструвало, що отримані висновки не узгоджуються з усіма попередніми вимірами.
тандартна модель похитнулася. Неможливо переоцінити, наскільки це вражаюче: точність CDF-вимірювання становить одну десятитисячну!
Висока точність і результати експерименту привернули увагу фізиків усього світу.
На відміну від багатьох аномалій, які раніше ставили під сумнів істинність Стандартної моделі, статистично майже неможливо, щоб результат CDF виявився випадковістю. Але якщо це не випадковість, то що ж це таке? Чи виявили експериментатори CDF першу ознаку нової фізики у своїх даних?
Новий виклик Стандартній моделі
Після оголошення результатів вимірювань виникає подвійна проблема: наразі проводиться всебічний аналіз усіх інструментів і методів, що застосовуються для вилучення маси W. Експериментатори будуть знову і знову з'ясовувати, чи існує якась неврахована невизначеність, якесь інше пояснення майже неможливої розбіжності.
Тим часом фізики-теоретики задаються питанням про походження W-бозонів. Річ у тім, що структура мас цих частинок була передбачена Стандартною моделлю. І ця структура дуже жорстка. Неможливо просто змінити масу W-бозона без зміни інших спостережуваних параметрів - розпаду важких кварків і лептонів, вимірювання маси Z-бозона та інших. Що, до речі, знову і знову підтверджує базові положення Стандартної моделі.
Має з'явитися щось іще, що змінить цю структуру, щось, що дотепер було пропущене іншими експериментами, щось нове й несподіване, що проявляється в зіткненнях на колайдерах усіх типів.
Теоретики будуть ретельно перевіряти розрахунки Стандартної моделі. Ясно, що якщо вимір CDF встоїть, то однієї Стандартної моделі буде вже недостатньо для пояснення всіх наших експериментальних даних.
І хоча один вимір рідко призводить до створення нової теорії фізики, він може виявити структури, які замінять передбачення Стандартної моделі.
Найскладніший вимір в історії фізики
Низка перших досліджень показує, що наявність ще одного бозона Хіггса або нових важких частинок, які взаємодіють із W-бозоном, як це передбачається в деяких теоріях темної матерії, може бути причиною розбіжності.
Якщо ці нові частинки дійсно зміщують масу W, вони також можуть бути отримані в іншому місці.
На основі теоретичних досліджень дані Великого адронного колайдера (ВАК) у Церні будуть "прочісуватися" в пошуку ознак нових частинок. Майбутні результати дадуть змогу звузити коло можливих пояснень або отримати додаткові підказки про природу, що лежить в основі фізики.
БАК зіштовхує протони з енергією, що в 7 разів перевищує енергію Теватрона Він щойно розпочав свій третій запуск і, за прогнозами, збере більше даних, ніж перші два запуски разом узяті.
Навіть якщо пошуки виявляться невтішними, в кінцевому підсумку його дані дадуть змогу провести більш точне вимірювання маси W і підтвердити або спростувати результати вимірювань CDF.
Складність "найважчого вимірювання у фізиці високих енергій" робить цю загадку дуже громіздкою для вирішення. Вона буде з нами ще деякий час.
Але фізики вже давно відмовилися від віри в те, що ми завжди можемо передбачити, де буде знайдена нова фізика (? - Альтернативна Наука). Занадто часто ми були захоплені зненацька несподіваними відкриттями.
Якщо ми і можемо зараз сказати щось з упевненістю, то це те, що постійне фінансування фундаментальних досліджень просто необхідне.
Десять років пішло на отримання даних і ще десять років на аналіз, і якби ми скоротили фінансування в будь-який момент, "найскладніший вимір у фізиці високих енергій" ніколи б не був завершений, і те, що ми дізнаємося з вражаючих вимірювань CDF, залишилося б похованим у даних.
Джерело: iai.tv
