Колаборація CDF повідомила про аномалію у вимірі маси W-бозона в зіткненні протонів з антипротонами з енергією 1,96 тераелектронвольт в системі центру мас. Виміряне ними значення, рівне 80433, 9,4 мегаелектронвольт, відрізняється від передбачень Стандартної моделі на сім стандартних відхилень, що може стати найбільш значущим виходом до Нової фізики. Дослідження опубліковано в.
Згідно з сучасною картиною світу фундаментальні взаємодії відбуваються через обмін частинками-переносниками. Виняток становить гравітація, чий переносник, гіпотетичний гравітон, так і не був виявлений. Переносники відповідальні за перетворення одних частинок в інші, а тому їх маси пов'язані з фундаментальними константами і масами інших частинок через рівняння, записані в рамках Стандартної моделі. Справедливість цих зв'язків можна перевірити, вимірюючи константи і маси по різний бік від знака рівності. При цьому велику роль відіграє точність вимірювання: при занадто великій невизначеності відхилення від Стандартної моделі можуть бути невидимі. З цієї причини фізика елементарних частинок знаходиться в процесі постійного поліпшення експериментів з вимірювання мас.
Все сказане повною мірою відноситься до вимірювання маси W-бозона - одного з переносників слабкої взаємодії. У Стандартній моделі вона найбільш тісно пов'язана з елементарним зарядом і масами інших частинок, в першу чергу бозона Хіггса і топ-кварка. На поточний момент теоретики оцінюють масу W-бозона рівною 80357 ст.14inputs 4theory мегаелектронвольтам, де перша невизначеність викликана неточностями вимірювання мас і констант, а друга - відсутністю членів високого порядку в розрахунках з використанням розкладання за малим параметром. З боку експерименту останнє точне значення для маси W-бозона було отримано колаборацією ATLAS, воно становить 80370 19 мегаелектронвольт. Це дещо менше, ніж значення 80385 15 мегаелектронвольт, отримане об'єднанням даних з коллайдера Теватрон в Національній Прискорювальній Лабораторії Фермі і з Великого електрон-позитронного коллайдера в ЦЕРНі, і в цілому узгоджується з теорією.
Тепер же колаборація CDF, що працювала на Теватроні до його закриття, повідомила про результати десятирічних вимірювань маси W-бозона. Вимірюючи параметри майже чотирьох мільйонів подій за участю цих частинок, фізики змогли в два рази поліпшити точність порівняно з попереднім сезоном роботи і отримати значення рівне 80433 9,4 мегаелектронвольт. Нові дані відрізняються від передбачень Стандартної моделі на сім стандартних відхилень, що може стати свідченням існування нової взаємодії або нової масивної частинки.
Збір даних на Теватроні відбувався з 2002 по 2011 рік у зіткненнях протонів з антипротонами з енергією 1,96 тераелектронвольт в системі центру мас зі світністю 8,8 зворотних фемтобарн. Використання такого сорту зіткнень має меншу невизначеність вимірювання імпульсів партонів, що розлітаються, і, як наслідок, вимірювання маси W-бозона порівняно з протон-протонними зіткненнями в БАКу. Енергія зіткнення також була підібрана таким чином, щоб мінімізувати ширину розподілу імпульсів продуктів, що розлітаються.
В якості процесів, які цікавили вчених, виступили розпади W-бозонів на електрони і мюони і відповідні нейтрино. Маса бозона витягувалася з розподілу поперечних імпульсів і енергій лептонів, які вимірювалися за допомогою дрейфових камер і калориметрів. Через невловимість нейтрино, головним джерелом інформації стали електрони і мюони. Щоб відрізнити розпад W-бозона від розпаду Z-бозона, який призводить до народження лептон-антилептонних пар, фізики стежили за збігами сигналів.
Для вилучення маси W-бозона дослідники створювали симуляцію і підганяли її результат під вимірені розподілу. В результаті вони отримали відповідь, рівну 80433 9,4 мегаелектронвольт. Експеримент виявився вдвічі точнішим, ніж попередній вимір, але його результат на сім стандартних відхилень відрізняється від передбачень Стандартної моделі.
Така велика аномалія може бути наслідком або неврахованої систематичної помилки, або доказом того, що Стандартна модель повинна бути розширена. Для перевірки першої гіпотези потрібно буде дочекатися результатів роботи інших наукових груп, в першу чергу ATLAS, що працюють на БАКу. Якщо відкриття підтвердиться, до Стандартної моделі потрібно буде включити нову взаємодію або нову частку, яка володіє занадто великою масою, щоб її можна було зафіксувати на існуючих прискорювачах. Подібні розширення пропонують деякі модифікації теорії суперсиметрії.
Від редактора
У початковому варіанті новини було сказано, що маса W-бозона тісно пов'язана з масою верхнього кварка, хоча насправді мова йшла про топ-кварку
Підтвердження аномалії додасть ще одну загадку у фізику елементарних частинок, яких за останній час стає все більше. Нещодавно ми розповідали, як від передбачень Стандартної моделі почало відхилятися значення аномального магнітного моменту мюона, а також результати калібрування галієвих детекторів, що використовуються для реєстрації сонячних нейтрино.