Група ATLAS використовувала дані, зібрані при зіткненнях протонних пучків на Великому адронному колайдері в 2011 році, щоб уточнити масу векторних W-бозонів, які служать переносниками слабкої взаємодії. Знайдене вченими значення маси становить приблизно 80370 ^ 19 мегаелектронвольт. Стаття опублікована в.
Слабка взаємодія - одна з чотирьох фундаментальних взаємодій і одна з трьох взаємодій, що входять до Стандартної моделі. Переносниками слабкої взаємодії служать векторні бозони - нейтральний бозон Z0 і заряджені W + і W ‑. Всі три частинки являють собою калібрувальні бозони однієї і тієї ж групи SU (2) і повинні бути безмасовими, проте набувають масу завдяки механізму Хіггса (спонтанному порушенню симетрії). Через це радіус слабкої взаємодії виявляється сильно обмежений - маса бозонів приблизно дорівнює 80-90 гігаелектронвольт, що відповідає радіусу екранування близько 10 − 18 сантиметрів. Вперше W- і Z-бозони експериментально відкрили на прискорювачі SPS в ЦЕРНі в 1983 році. Теоретична ж модель слабкої взаємодії (модель Глешоу-Вайнберга-Салама) була розроблена в кінці 60-х років і на даний момент входить до складу Стандартної моделі елементарних частинок.
У нижчому порядку теорії обурень масу W-бозона можна висловити через масу Z-бозона, постійну тонкої структури і постійну Фермі, причому маси позитивного і негативного бозонів повинні збігатися. Однак поправки вищих порядків починають залежати від інших калібрувальних констант Стандартної моделі, а також від маси більш важких частинок, наприклад, t-кварка або бозона Хіггса. На даний момент маси всіх цих частинок вимірені порівняно неточно (з похибкою до 0,4 відсотка), що залишає простір для розширених теорій, які пророкують відмінності маси W-бозона від розрахунків Стандартної моделі. Поточне експериментальне значення маси, отримане об'єднанням результатів різних статей, становить приблизно mW = 80385 15 мегаелектронвольт, а теоретичне передбачення Стандартної моделі - близько mW = 80360 8 мегаелектронвольт. Тому потрібні нові експерименти, які уточнять значення маси і приведуть його у відповідність з теорій (або вкажуть на існування «нової фізики»).
У новій статті колаборація ATLAS повідомляє про вимірювання маси W-бозонів, що утворилися при зіткненнях пучків протонів на Великому адронному колайдері в 2011 році і зареєстрованих детектором ATLAS. Енергія протонів у центрі мас становила приблизно сім гігаелектронвольт, сумарна світність колайдера за час експерименту досягла 4,6 зворотних фемтобарн. Що таке світність, можна прочитати тут (грубо кажучи, ця величина описує число зіткнень частинок). Попередньо вчені відкалібрували детектор за розпадами Z-бозона на два лептона, використовуючи порівняно точно виміряне значення маси бозона (похибка близько 2 мегаелектронвольт).
Для оцінки маси частинок вчені використовували так звані процеси Дрелла-Яна, в ході яких W-бозон розпадається на лептон (мюон або електрон) і нейтрино (мюонне або електронне, відповідно). Кожен з цих процесів відбувається з імовірністю близько десяти відсотків; За час експерименту фізики зареєстрували близько 7,8 ст.1106 кандидатів розпаду W- - і близько 5,9 ст.1106 кандидатів W-e-e. Це приблизно на порядок більше числа розпадів, зареєстрованих у попередніх експериментах.
Власне, в експерименті вчені вимірювали переріз подібних процесів і дивилися, як він залежить від поперечних імпульсів лептонів і поперечної маси W-бозонів. Потім фізики «підганяли» величину маси W-бозонів так, щоб теоретична модель якнайкраще пояснювала експериментальні дані. У результаті з'ясувалося, що маси позитивного і негативного W-бозонів приблизно рівні - точніше, вони можуть відрізнятися не більше, ніж на величину. Тому вчені об'єднали дані по вимірюванню маси обох бозонів і отримали величину mW = 80370 7 11 14 = 80370 19 мегаелектронвольт. Тут перша похибка обумовлена помилками «підгону» теорії під експеримент, друга - систематичною похибкою експерименту, а третя - неточністю теорії (тобто похибками вхідних до неї параметрів).
Детальніше про пошуки нових частинок на Великому адронному колайдері можна прочитати в добірці «Другий сезон Коллайдера». Наприклад, матеріал «Рудник нуль і одиниць» розповідає, як вчені шукають потрібні розпади серед величезного числа реєстрованих детектором процесів, а в матеріалі «Дозвольте відхилитися» наводиться список відхилень від Стандартної моделі, які вчені встигли знайти на Великому колайдері.