Самое трудное измерение в физике высоких энергий

Новый экспериментальный результат потряс мир физики частиц. Оказалось, что W-бозон намного тяжелее, чем мы думали, пишет Альтернативная наука.

Такой вывод бросает вызов, казалось бы, наиболее успешной и проверенной на сегодняшний день теории о строении Вселенной - Стандартной модели.

И хотя одного этого эксперимента недостаточно для ниспровержения теории, однако он указывает на теорию, которая может это сделать, - пишет Мартин Бауэр.

Как измеряли массу W-бозона

Недавно масса W-бозона была измерена детектором коллайдера в Фермилабе с беспрецедентной точностью и удивительным результатом.

результаты опыта невероятно расходятся со всеми предыдущими измерениями массы W-бозона, но на этот раз нет никакой случайности.

Для того, чтобы дать представление о точности последнего измерения и о том, насколько маловероятно, что этот результат является ошибкой, подумайте вот о чем: если вы взвешиваете себя несколько раз на разных весах, вы ожидаете увидеть некоторое расхождение.

Но такое расхождение, как между последним и предыдущими измерениями массы W-бозона, статистически возникает только после 1 миллиарда опытов.

Точное измерение свойств W-бозона очень важно.

Масса W-бозона влияет на многие расчеты - от ядерного синтеза внутри звезд до углеродного датирования, то есть на многие расчеты, которые лежат в основе нашего понимания Вселенной.

Например, его масса связана со временем жизни других частиц, а это важно для понимания того, как развивалась Вселенная после Большого взрыва.

Но, возможно, самым значимым последствием измерения массы W-бозона - то, что оно противоречит Стандартной модели.

Что такое W-бозоны, и почему их трудно измерить?

W-бозон - это фундаментальная частица, опосредующая слабое взаимодействие, которое мы никогда не ощущаем непосредственно, поскольку оно действует только на субатомных расстояниях.

Все другие известные фундаментальные силы порождают связанные системы: например, солнечные системы, связанные вместе гравитацией; атомы, связанные электромагнитизмом; атомные ядра, «сжатые» сильным взаимодействием.

Слабое ядерное взаимодействие не приводит к возникновению аналогичных связанных систем, но имеет решающее значение для природных явлений, влияющих на нашу повседневную жизнь.

Процесс термоядерного синтеза на Солнце инициируется превращением водорода в тяжелый водород под действием слабой силы.

Без W-бозона Солнце было бы очень тусклым.

Все известные нам атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, однако вокруг существует множество различных частиц. Почему они никогда не образуют атомы или более сложные структуры? Потому что они быстро распадаются под действием слабой силы.

Ее уникальность заключается в том, что W-бозон может изменять заряды других частиц, с которыми он взаимодействует. Он в состоянии превратить электрон (заряд -1) в нейтрино (заряд 0) или нейтрон (заряд 0) в протон (заряд +1).

Такие методы, как радиоуглеродное датирование, напрямую зависят от этого свойства. Медленный распад нейтронов в протоны в изотопах углерода позволяет нам определять время археологические артефактов, что было бы невозможно без W-бозона.

Измерить массу W-бозона напрямую чрезвычайно сложно.

Настолько, что экспериментаторы окрестили проведенный опыт "самым трудным измерением в физике высоких энергий".

По нескольким причинам:

• W-бозоны очень тяжелы для элементарных частиц. Один W-бозон весит в 80 раз больше протона.
• Ускорители - единственное место в мире, где можно задействовать огромную энергию для их производства. Но W-бозоны мгновенно распадаются, и определение их массы требует измерения продуктов распада с посследующием восстановлением самих измерений.

Что еще хуже, коллайдеры, которые «создают» W-бозоны, неизбежно производят также сотни и сотни других частиц. Выяснить, был ли измерен W-бозон, и определить его массу - все равно, что найти соединяющиеся кусочки головоломки в огромной коробке, а затем правильно их сложить при условии отсутствия большинства компонентов.

Физика высоких энергий: результаты CDF

Коллаборация Collider Detector at Fermilab (CDF) проделала огромную работу с набором данных из четырех миллионов W-бозонов, собранных с 2002 по 2011 год на Теватроне в Фермилабе.

Взвешивание W-бозона заняло более десяти лет. Но результаты впечатляют. CDF не только обеспечили самое точное измерение массы W, которое когда-либо было достигнуто, но и продемонстрировало, что полученные выводы не согласуется со всеми предыдущими измерениями.

Стандартная модель пошатнулась. Невозможно переоценить, насколько это поразительно: точность CDF-измерения составляет одну десятитысячную!

Высокая точность и результаты эксперимента привлекли внимание физиков всего мира.

В отличие от многих аномалий, которые ранее ставили под сомнение истинность Стандартной модели, статистически почти невозможно, чтобы результат CDF оказался случайностью. Но если это не случайность, то что же это такое? Обнаружили ли экспериментаторы CDF первый признак новой физики в своих данных?

Новый вызов Стандартной модели

После объявления результатов измерений возникает двойная проблема: в настоящее время проводится всесторонний анализ всех инструментов и методов, применяемых для извлечения массы W. Экспериментаторы будут снова и снова выяснять, существует ли какая-либо неучтенная неопределенность, какое-либо иное объяснение почти невозможного расхождения.

Тем временем физики-теоретики задаются вопросом о происхождении W-бозонов. Дело в том, что структура масс этих частиц была предсказана Стандартной моделью. И эта структура очень жесткая. Невозможно просто изменить массу W-бозона без изменения других наблюдаемых параметров - распада тяжелых кварков и лептонов, измерения массы Z-бозона и других. Что, кстати, снова и снова подтверждает базовые положения Стандартной модели.

Должно появиться нечто еще, что изменит эту структуру, что-то, что до сих пор было пропущено другими экспериментами, что-то новое и неожиданное, проявляющееся в столкновениях на коллайдерах всех типов.

Теоретики будут тщательно проверять расчеты Стандартной модели. Ясно, что если измерение CDF устоит, то одной Стандартной модели будет уже недостаточно для объяснения всех наших экспериментальных данных.

И хотя одно измерение редко приводит к созданию новой теории физики, оно может выявить структуры, которые заменят предсказания Стандартной модели.

Самое сложное измерение в истории физики

Ряд первых исследований показывает, что наличие еще одного бозона Хиггса или новых тяжелых частиц, взаимодействующих с W-бозоном, как это предсказывается в некоторых теориях темной материи, может быть причиной расхождения.

Если эти новые частицы действительно смещают массу W, они также могут быть получены в другом месте.

На основе теоретических исследований данные Большого адронного коллайдера (БАК) в Церне будут «прочесываться» в поиске признаков новых частиц. Будущие результаты позволят сузить круг возможных объяснений или получить дополнительные подсказки о природе, лежащей в основе физики.

БАК сталкивает протоны с энергией, в 7 раз превышающей энергию Теватрона Он только что начал свой третий запуск и, по прогнозам, соберет больше данных, чем первые два запуска вместе взятые.

Даже если поиски окажутся безутешными, в конечном итоге его данные позволят провести более точное измерение массы W и подтвердить или опровергнуть результаты измерений CDF.

Сложность "самого трудного измерения в физике высоких энергий" делает эту загадку очень громоздкой для решения. Она будет с нами еще некоторое время.

Но физики, уже давно отказались от веры в то, что мы всегда можем предсказать, где будет найдена новая физика (? - Альтернативная Наука). Слишком часто мы были застигнуты врасплох неожиданными открытиями.

Если мы и можем сейчас сказать что-то с уверенностью, так это то, что постоянное финансирование фундаментальных исследований просто необходимо.

Десять лет ушло на получение данных и еще десять лет на анализ, и если бы мы сократили финансирование в любой момент, "самое сложное измерение в физике высоких энергий" никогда бы не было завершено, и то, что мы узнаем из впечатляющих измерений CDF, осталось бы погребенным в данных.