После десятилетия тщательных измерений ученые объявили в четверг, что фундаментальная частица — бозон W — имеет значительно большую массу, чем предполагалось, что пошатнуло основы нашего понимания того, как устроена Вселенная.
Эти основы основаны на Стандартной модели физики элементарных частиц, которая является лучшей теорией, которая есть у ученых для описания самых основных строительных блоков Вселенной и сил, которыми они управляют.
Бозон W управляет так называемым слабым взаимодействием, одним из четырех фундаментальных сил природы и, следовательно, одним из столпов Стандартной модели.
Однако новое исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что самое точное измерение W-бозона, когда-либо сделанное, прямо противоречит предсказанию модели.
Ашутош Котвал, физик из Университета Дьюка, который руководил исследованием, сообщил AFP, что более 400 ученых в течение 10 лет тщательно изучили четыре миллиона кандидатов в бозоны W из «набора данных о примерно 450 триллионах столкновений».
Эти столкновения, вызванные столкновением частиц друг с другом на умопомрачительных скоростях для их изучения, были сделаны коллайдером Тэватрон в американском штате Иллинойс.
Это был самый высокоэнергетический ускоритель частиц в мире до 2009 года, когда его вытеснил Большой адронный коллайдер недалеко от Женевы, на котором несколько лет спустя, как известно, наблюдался бозон Хиггса.
Теватрон прекратил работу в 2011 году, но с тех пор ученые из Коллайдерного детектора в Фермилабе (CDF) обрабатывают цифры.
«Трещины» в модели
Гарри Клифф, физик частиц из Кембриджского университета, работающий на Большом адронном коллайдере, сказал, что Стандартная модель — «вероятно, самая успешная научная теория, которая когда-либо была написана».
«Он может делать фантастически точные прогнозы», — сказал он. Но если эти прогнозы окажутся неверными, модель нельзя будет просто подправить.
«Это похоже на карточный домик, если вы слишком сильно потянете за одну его часть, все рухнет», — сказал Клифф агентству AFP.
Стандартная модель не лишена недостатков.
Например, он не учитывает темную материю, которая, как считается, вместе с темной энергией составляет 95 процентов Вселенной. В нем также говорится, что Вселенная не должна была существовать с самого начала, потому что Большой Взрыв должен был уничтожить сам себя.
Вдобавок ко всему, «недавно было обнаружено несколько трещин» в модели, сообщили физики в сопутствующей статье Science.
«В этой структуре подсказок о том, что в Стандартной модели отсутствуют части, мы внесли еще одну, очень интересную и несколько большую подсказку», — сказал Котвал.
Ян Старк, физик и директор по исследованиям французского института CNRS, сказал, что «это либо крупное открытие, либо проблема в анализе данных», предсказывая «довольно горячие дискуссии в ближайшие годы».
Он сказал AFP, что «чрезвычайные утверждения требуют экстраординарных доказательств».
«Огромная сделка»
Ученые CDF заявили, что они определили массу бозона W с точностью до 0,01 процента, что в два раза точнее, чем предыдущие попытки.
Они сравнили это с измерением веса 350-килограммовой (800-фунтовой) гориллы с точностью до 40 граммов (1,5 унции).
Они обнаружили, что бозон отличается от предсказания Стандартной модели на семь стандартных отклонений, которые также называются сигмой.
Клифф сказал, что если вы подбрасываете монетку, «шансы получить результат с пятью сигмами по глупой случайности составляют один к трем с половиной миллионам».
«Если это правда, а не какая-то систематическая предвзятость или непонимание того, как проводить расчеты, то это огромная проблема, потому что это будет означать, что в нашей Вселенной есть новый фундаментальный ингредиент, который мы не открывали раньше», — сказал он.
«Но если вы собираетесь сказать что-то настолько важное, как мы нарушили Стандартную модель физики элементарных частиц, и есть новые частицы, которые нужно открыть, чтобы убедить людей в этом, вам, вероятно, потребуется более одного измерения из более чем одного эксперимента."
Сопредседатель CDF Дэвид Тобак сказал, что «теперь дело за сообществом теоретической физики и другими экспериментами, чтобы проследить за этим и пролить свет на эту тайну».
И после десяти лет измерений Котвал еще не готов.
«Мы следуем подсказкам и не оставляем камня на камне, поэтому мы выясним, что это значит».