Мистерията на W-бозона: Аномалното поведение на частиците бележи откриването на нова физика

Откриването на Хигс бозона през 2012 година завърши формирането на стандартния модел на елементарните частици. То обаче остави открити много въпроси за структурата на Вселената. Особено актуални остават загадките на тъмната материя и асиметрията на материята и антиматерията. Именно в този контекст последните измервания, направени от колаборацията ATLAS на Големия адронен колайдер придобиват особено значение.

Изследването на учените е посветено на измерването на „ширината“ на W-бозона – параметър, който отразява продължителността на живота на частицата и характеристиките на нейния разпад.

Според Стандартния модел, точната стойност на ширината на W-бозона може да бъде предсказана и всяко значително отклонение от предсказаната стойност може да показва наличието на неотчетени явления.

W-бозонът е елементарна частица, един от носителите на силата на слабото взаимодействие, която е отговорна за някои видове радиоактивен разпад, като например бета разпада. При слабо взаимодействие W-бозоните могат да бъдат положително или отрицателно заредени (съответно W⁺ и W-). Тези частици имат значителна маса, което до голяма степен определя малкия обхват на слабото взаимодействие.

Откриването на W-бозона през 1983 година в ускорителя в ЦЕРН е важно потвърждение на Стандартния модел на физиката на елементарните частици.

Предишни измервания в ЦЕРН и в Колайдера Фермилаб показаха стойност на широчината от 2085 ± 42 милиона електронволта (MeV). Това е в съответствие с прогнозата на стандартния модел от 2088 ± 1 MeV. Новите измервания в LHC обаче показаха стойност от 2202 ± 47 MeV, което е най-точното измерване, направено от един експеримент досега. Тази стойност, макар и малко по-голяма от предсказаната е в рамките на 2,5 стандартни отклонения, което я прави съвместима със Стандартния модел.

За да постигнат тази висока точност, изследователите са извършили подробен анализ на импулса на частиците по време на разпадането на W-бозона на електрон или мюон и съответното му неутрино. То оставя следа под формата на липсваща енергия в данните от сблъсъка. Било е необходимо също така точно да се калибрира реакцията на сензора на ATLAS към тези частици, като се вземе предвид приносът на фоновите процеси.

Освен това изследването едновременно измери и актуализира стойността на масата на W-бозона, която е 80367 ± 16 MeV, подобрявайки предишните резултати от ATLAS. Изследването включваше използването на данни за структурата на протона, получени от глобален анализ на данни от различни експерименти в областта на физиката на елементарните частици, което подобри точността на измерванията.

Очаква се бъдещите измервания на ширината и масата на W-бозона с използване на по-големи набори от данни на ATLAS да намалят статистическите и експерименталните неопределености. Едновременно с това напредъкът в теоретичните прогнози и по-ясното разбиране на функциите на разпределение на частиците ще спомогнат за намаляване на теоретичните неопределености. Тъй като измерванията ще станат още по-прецизни, физиците ще могат да извършват още по-строги тестове на Стандартния модел и да изследват нови частици и сили.