Физики из международной коллаборации CDF показали, что масса W-бозона выше, чем предсказывает Стандартная модель: это может изменить наше понимание физики. «Хайтек» разбирается, что выяснили ученые и почему это важно.
Физики 10 лет изучали результаты работы коллайдера «Тэватрон» и пришли к выводу, что экспериментальное значение W-бозона серьезно отличается от того, что дает Стандартная модель. А значит, есть вероятность, что нужно менять физику в том виде, в котором мы ее знаем.
Что произошло?
W-бозо — это фундаментальная частица, которая несет слабую ядерную силу. Она оказалась значительно тяжелее, чем по Стандартной модели физики.
Между теоретическими и экспериментальными данными установлена разница в 0,09%. Кажется, что это мало, но такая погрешность намного больше стандартной — 0,01%.
Это невероятно важная информация для всех физиков мира, считает Флоренсия Канелли, физик из Университета в Цюрихе. Если полученные данные подтвердят в других экспериментах, то получится первое серьезное расхождение со Стандартной моделью физики — это теория, которая описывает все частицы, которые составляют материю, и все фундаментальные взаимодействия, кроме гравитации.
Да, Стандартная модель действует не для всех процессов. Поэтому если появится как минимум одна серьезная нестыковка, то модель придется менять. Но есть физики, которые осторожно относятся к результатам эксперимента.
«Генерация измерения массы W-бозона на основе экспериментальных данных — это очень сложный процесс, я бы с аккуратностью интерпретировал имеющееся расхождение со Стандартной моделью», — говорит Маттиас Шотт, физик из Университета Иоганна Гутенберга. Он считает, что физики должны как можно точнее понять, почему произошли такие расхождения.
Что мы знаем о W-бозоне?
Частицу открыли в 1983 году. В экспериментах того времени подсчитали, что W-бозон весит 85 протонов. Погрешность такого значения составляла 5% и больше, так как вычислить массу было трудно.
Z-бозон и W-бозон участвуют в большей части ядерных реакций, в частности в термоядерном синтезе, который происходит на Солнце. W- и Z-бозоны несут слабую ядерную силу, одну из четырех основных сил природы. W-бозон изучают в коллайдерах, там частицы производят, а потом сталкивают вместе при высокой энергии. Частицы можно зафиксировать во время их распада на подвид электронов либо на мюоны и нейтрино. Нейтрино исчезает без следа, а вот электрон и мюон можно отследить.
В процессе распада большая часть изначальной массы W-бозона переходит в энергию новых частиц. Если физикам удастся измерить эту энергию, а также определить, как происходит распад частиц, они смогут определить массу W-бозона. Но если нельзя отследить действия нейтрино, то и невозможно точно сказать, какая часть энергии электрона или мюона связана с массой, а какая — с импульсом.
Что сделали авторы новой работы?
В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи сообщают о почти десятилетнем анализе данных, собранных с помощью ускорителя частиц «Тэватрон». Эти измерения, по словам авторов, точнее, чем все остальные вместе взятые. Авторы подсчитали, что масса W-бозона примерно в 157 тыс. раз больше массы электрона. Благодаря новому измерению можно проверить релевантность Стандартной модели физики.
Что такое новая физика?
Так называют физические закономерности, которые выходят за рамки Стандартной модели. И новая работа — это не первый намек на такую физику. Аналогичная ситуация произошла с экспериментом в 2021 году с мюоном-g2. Но точность той работы была значительно ниже новых результатов.
Значение массы W-бозона было выше, чем ожидалось, на целых семь стандартных отклонений — это означает, что вероятность того, что это случайность, составляет примерно один к триллиону.
«Это измерение является самым значительным отклонением от фундаментального прогноза Стандартной модели, оно больше, чем когда-либо фиксировали ученые. Поэтому я считаю, что это намек на то, что мы еще не полностью понимаем слабую ядерную силу или все частицы, которые испытывают эту силу», — заявил Ашутош Котвал, профессор из Университета Дьюка.
Что новое открытие изменит в физике?
Последствия этого открытия еще предстоит полностью понять. Можно было бы просто настроить Стандартную модель в соответствии с новыми измерениями. Но авторы работы считают, что они свидетели начала смены парадигмы и появления неизвестной ранее физики.
Первый важный шаг на этом пути — получение независимого подтверждения. Теперь 400 ученых, которые работали над экспериментом, собираются вместе с другими физиками проанализировать результат, чтобы понять, куда двигаться дальше. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе собирает данные о W-бозоне, на нем можно будет провести новые эксперименты.
«Если построить новый электрон-позитронный коллайдер, то он также сможет очень точно измерить массу W-бозона. Кроме того, Большой адронный коллайдер и мелкие специализированные эксперименты высокоточно измеряют новые частицы и их взаимодействия. Если существует новая физика, то ее можно будет наблюдать именно в этих экспериментах», — объяснил профессор Котвал.
Читать далее
Спустя десять лет работы ученые усомнились в стандартной модели физики
Внутри Земли есть еще «планета»: как она спасла зарождающуюся жизнь
Старые клетки перепрограммировали, и они стали моложе на 30 лет: как это работает