Новый анализ W-бозонов предполагает, что эти частицы значительно тяжелее, чем предсказывает стандартная модель физики элементарных частиц.
ФИЗИКИ ОБНАРУЖИЛИ, что элементарная частица, называемая W—бозоном, кажется, на 0,1 процента слишком тяжелой - крошечное расхождение, которое может предвещать огромный сдвиг в фундаментальной физике.
Измерение, сообщенное 7 апреля в журнале Science, происходит от старинного коллайдера частиц в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, который разбил свои последние протоны десять лет назад. Примерно 400 членов детектора коллайдера в коллаборации Fermilab (CDF) продолжали анализировать W-бозоны, производимые коллайдером, называемым Теватроном, преследуя мириады источников ошибок, чтобы достичь беспрецедентного уровня точности\
Если избыточный вес W относительно стандартного теоретического предсказания может быть независимо подтвержден, это открытие будет означать существование неоткрытых частиц или сил и приведет к первому серьезному переписыванию законов квантовой физики за полвека.
“Это будет полное изменение того, как мы видим мир”, потенциально даже соперничая по значимости с открытием бозона Хиггса в 2012 году, сказал Свен Хайнемейер, физик из Института теоретической физики в Мадриде, который не является частью CDF. “Хиггс хорошо вписывается в ранее известную картину. Это будет совершенно новая область, в которую нужно войти ”.
Это открытие происходит в то время, когда физическое сообщество жаждет недостатков в стандартной модели физики элементарных частиц - давно существующем наборе уравнений, охватывающем все известные частицы и силы. Известно, что стандартная модель неполна, оставляя неразгаданными различные великие тайны, такие как природа темной материи. Сильный послужной список сотрудничества CDF делает их новый результат реальной угрозой стандартной модели.
“Они произвели сотни прекрасных измерений”, - сказала Аида Эль-Хадра, физик-теоретик из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне. - Они известны своей осторожностью.
Но никто еще не пьет шампанское. В то время как новое измерение массы W, взятое само по себе, резко отличается от предсказания стандартной модели, другие эксперименты с взвешиванием W дали менее драматичные (хотя и менее точные) результаты. Например, в 2017 году эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере в Европе измерил массу частицы W и обнаружил, что она всего на волосок тяжелее, чем говорит стандартная модель. Столкновение между CDF и ATLAS наводит на мысль, что одна или обе группы упустили из виду какую-то тонкую причуду своих экспериментов.
“Я хотел бы, чтобы это было подтверждено и чтобы понять разницу между предыдущими измерениями”, - сказал Гийом Унал, физик из ЦЕРНА, лаборатории, в которой находится Большой адронный коллайдер, и участник эксперимента ATLAS. - W-бозон должен быть одинаковым по обе стороны Атлантики.
“ Это монументальная работа, - сказал Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института, - но очень трудно понять, что с ней делать.
Слабые бозоны
W-бозоны вместе с Z-бозонами опосредуют слабую силу, одну из четырех фундаментальных сил Вселенной. В отличие от гравитации, электромагнетизма и сильной силы, слабая сила не столько толкает и не тянет, сколько превращает более тяжелые частицы в более легкие. Например, мюон спонтанно распадается на W-бозон и нейтрино, а затем W становится электроном и другим нейтрино. Связанный субатомный сдвиг формы вызывает радиоактивность и помогает поддерживать солнце.
Различные эксперименты измерили массы W и Z бозонов за последние 40 лет. Масса W-бозона оказалась особенно заманчивой целью. В то время как другие массы частиц должны быть просто измерены и приняты как факты природы, масса W может быть предсказана путем объединения нескольких других измеримых квантовых свойств в уравнениях стандартной модели.
В течение десятилетий экспериментаторы в Fermilab и в других местах использовали сеть связей, окружающих W-бозон, чтобы попытаться обнаружить дополнительные частицы. Как только исследователи получили точные измерения терминов, которые наиболее сильно влияют на массу частицы W, — таких как сила электромагнитной силы и масса Z, — они могли начать ощущать меньшие эффекты, притягивающие ее массу.
Этот подход позволил физикам предсказать массу частицы, называемой верхним кварком, которая подталкивает массу W, в 1990-х годах, незадолго до открытия верхнего кварка в 1995 году. И они повторили подвиг в 2000-х годах, чтобы предвидеть массу бозона Хиггса до его обнаружения.
Но в то время как у теоретиков были разные причины ожидать, что верхний кварк и Хиггс будут существовать и будут связаны с W-бозоном через уравнения стандартной модели, сегодня теория не имеет явно недостающих частей. Любое оставшееся расхождение в массе W-бозона будет указывать на неизвестное.
Ловить W
Новое измерение массы CDF основано на анализе около 4 миллионов W-бозонов, произведенных на Теватроне в период с 2002 по 2011 год. Когда Теватрон разбил протоны на антипротоны, в последовавшей суматохе часто появлялся W-бозон. Затем W может распасться на нейтрино и мюон или электрон, которые легко обнаружить. Чем быстрее мюон или электрон, тем тяжелее W-бозон, который его произвел.
Ашутош Котвал, физик из Университета Дьюка и движущая сила недавнего анализа сотрудничества CDF, посвятил свою карьеру усовершенствованию этой схемы. Сердцем эксперимента W boson является цилиндрическая камера, заполненная 30 000 высоковольтными проводами, которые реагируют, когда мюон или электрон пролетают через них, что позволяет исследователям CDF определить траекторию и скорость частицы. Знание точного положения каждого провода имеет решающее значение для получения точной траектории. Для нового анализа Котвал и его коллеги воспользовались мюонами, которые падают с неба в виде космических лучей. Эти пулеподобные частицы постоянно прорываются через детектор почти идеально прямыми линиями, позволяя исследователям обнаруживать любые шаткие провода и фиксировать положение проводов с точностью до 1 микрометра.
Они также провели годы между выпусками данных, проводя исчерпывающие перекрестные проверки, повторяя измерения независимыми способами, чтобы укрепить уверенность в том, что они понимают все особенности Теватрона. Все это время измерения W-бозонов накапливались все быстрее и быстрее. Последний анализ CDF, выпущенный в 2012году, охватывал данные за первые пять лет работы Теватрона. В течение следующих четырех лет эти данные выросли в четыре раза.
Он налетел на нас, как пожарный шланг, быстрее, чем ты успеваешь напиться, - сказал Котвал.
Почти через десять лет после этого последнего анализа сотрудничество наконец вышло в эфир. На встрече в ноябре 2020 года над Zoom Котвал расшифровал результат команды (они работали с зашифрованными данными, чтобы цифры не влияли на их анализ) одним нажатием кнопки.
Наступила тишина, когда физики впитали ответ. Они обнаружили, что W-бозон весит 80,433 миллиона электрон-вольт (МэВ), плюс-минус 9 МэВ. Это делает его колоссальным 76 МэВ тяжелее, чем предсказывает стандартная модель, расхождение примерно в семь раз больше, чем погрешность измерения или прогнозирования.
Такое несоответствие “семи сигм” поднимается над уровнем пяти сигм, который физики обычно должны очистить, чтобы претендовать на окончательное открытие. Но в этом случае более низкие измерения из ATLAS и других экспериментов все еще дают им паузу.
“Я бы сказал, что это не открытие, а провокация”, - сказал Крис Куигг, физик-теоретик из Fermilab, который не участвовал в исследовании. “Теперь это дает повод смириться с этим выбросом”
Столкновение экспериментов
С Теватроном, собирающим пыль, бремя подтверждения или опровержения измерения CDF ляжет на Большой адронный коллайдер. Он уже произвел больше W-бозонов, чем Теватрон, но его более высокая скорость столкновения усложняет анализ массы W. Тем не менее, собирая дополнительные данные — потенциально при более низких интенсивностях пучка — БАК может разрешить напряженность в ближайшие годы.
Между тем, теоретики не могут не задуматься о том, что может означать негабаритный W-бозон.
Когда мюон кратковременно испускает W-бозон, распадаясь на электрон, этот промежуточный W-бозон может взаимодействовать с другими частицами, даже неоткрытыми. Именно это братание с неизвестным может исказить массу W.
Тяжелый W-бозон потенциально может быть связан со вторым бозоном Хиггса, который более сдержан, чем тот, который мы знаем. Или это может быть связано с новым массивным бозоном, который опосредует вариант слабой силы, или с “составным” Хиггсом, состоящим из нескольких частиц, в комплекте с новой силой, связывающей их вместе.
Некоторые теоретики подозревают частицы, предсказанные давно изученной теорией, известной как суперсимметрия. Эта структура связывает частицы материи и частицы, несущие силу, устанавливая неоткрытого партнера противоположного типа для каждой из известных частиц. Суперсимметрия вышла из моды после того, как “суперпартнеры” не смогли материализоваться на БАКЕ, но некоторые теоретики все еще считают, что это правда.
Хайнемейер и его коллеги недавно подсчитали, что некоторые суперсимметричные частицы могут устранить еще одно предполагаемое расхождение со стандартной моделью, известной как мюонная аномалия g-2. При этом частицы также немного увеличат массу W-бозона, хотя для соответствия измерению CDF потребуется еще больше новичков. “Удивительно, что частицы, которые помогают нам с g-2, могут также помочь нам с массой W-бозона”, - сказал он.
Кропотливая работа экспериментаторов по оттачиванию своих точных измерений заставляет исследователей более оптимистично относиться к долгожданному прорыву.
“В целом мне кажется, что мы приближаемся к точке, где что-то сломается”, - сказал Эль-Хадра. “Мы приближаемся к тому, чтобы действительно видеть за пределами стандартной модели”.
