Мистерията на W-бозона: Големият адронен колайдер оспорва аномалията на Теватрон

Експериментът CMS на Големия адронен колайдер доведоха до неочаквани научни открития.

Експериментът CMS в Големия адронен колайдер (LHC) в ЦЕРН предостави нови данни за масата на W-бозона – една от елементарните частици, отговорни за слабото ядрено взаимодействие, което инициира процесите на радиоактивен разпад и ядрен синтез в звездите.

Екипът на CMS анализира данните от сблъсъците на протони, получени по време на втората фаза на LHC, и направи първото измерване на масата на W-бозона. Това измерване е най-точното от всички измервания, направени в рамките на LHC, и е в съответствие с прогнозите на Стандартния модел на физиката на елементарните частици, с изключение на резултатите от експеримента CDF в колайдера Теватрон във Фермилаб.

Според Стандартния модел масата на W-бозона е тясно свързана с параметрите, които обединяват електромагнитното и слабото взаимодействие, както и с масите на Хигс бозона и топ кварка. Теоретичната стойност на масата на W-бозона трябва да бъде 80 353 милиона електронволта (MeV) с неопределеност от 6 MeV.

Точните измервания на масата на W-бозона ни позволяват да проверим дали тези параметри съответстват на прогнозите на Стандартния модел. Едно несъответствие би могло да означава съществуването на нови частици или взаимодействия, които са извън сегашното разбиране на физиката.

От откриването на W-бозона преди около 40 години масата му е измерена в редица експерименти, но през 2022 г. експериментът CDF доведе до неочаквани резултати. Получената стойност на масата – 80 433,5 MeV – се различаваше значително от прогнозите на Стандартния модел, което предизвика интерес към по-нататъшни изследвания.

През 2023 г. екипът на ATLAS, който също работи в LHC, представи актуализирано измерване на масата на W-бозона, която беше 80 366,5 MeV. Този резултат съвпадна с всички предишни резултати, с изключение на данните от CDF, които остават най-точни до момента.

Сега CMS също добави своите резултати към този научен дебат. Новото измерване на масата на W-бозона от CMS е 80 360,2 MeV с грешка от 9,9 MeV, което също е близко до стойностите на другите експерименти с изключение на данните от CDF.

„Измерванията на масата на W са много трудни, тъй като включват изключително деликатни измервания и теоретично моделиране на образуването на W бозона и разпадането му на лептон (тук мюон) и неутрино, което затруднява неговото откриване“, обяснява говорителят на CMS Готие Хамел дьо Моншено. „Като използвахме способността на детектора CMS да измерва мюони с висока точност и като използвахме най-новите и усъвършенствани теоретични съставки, някои от които бяха проверени чрез кръстосан контролен анализ, постигнахме това рекордно ниво на точност.“

Данните от това измерване демонстрират високата прецизност на детекторите на LHC и подчертават способността на колайдера да тества предвижданията на Стандартния модел. Очаква се по-нататъшните експерименти, както по време на третата фаза на LHC, така и след неговата модернизация, да постигнат още по-точни резултати.