Группа исследователей, работающих с детектором LHCb Большого адронного коллайдера (БАК), получила наиболее точное на сегодняшний день измерение массы Z-бозона. Эта электрически нейтральная частица, открытая почти четыре десятилетия назад, играет ключевую роль в слабом ядерном взаимодействии – одном из четырёх фундаментальных сил природы. Открытие Z-бозона в своё время стало прорывом, подтвердив ключевые положения Стандартной модели.
Высокоточные измерения массы Z-бозона ранее проводились на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP), предшественнике БАК, работавшем в том же подземном тоннеле. Однако, сложность протон-протонных столкновений на БАК до недавнего времени препятствовала достижению такой же точности.
В новом исследовании учёные проанализировали данные, собранные детектором LHCb в 2016 году во время второго запуска БАК. Они изучили около 174 000 событий распада Z-бозонов на пары мюонов – более тяжёлых аналогов электронов, которые проще отслеживать с высокой точностью. Анализ этих распадов позволил реконструировать массу Z-бозона с беспрецедентной точностью.
Полученное значение составило 91 184,2 миллиона электронвольт (МэВ). Погрешность измерения, включающая как статистические (8,5 МэВ), так и систематические (3,8 МэВ) источники, составляет всего около 9,3 МэВ, что приблизительно соответствует 0,01%. Для достижения такой точности пришлось учесть множество тонких эффектов, включая калибровку отклика детектора на мюоны, поправки на небольшие погрешности в измерении энергии и компенсацию несовершенств выравнивания детектора. Ключевую роль сыграл метод «шаблонного подбора», позволяющий сравнивать смоделированные распределения распадов Z-бозонов с реальными данными.
Важно, что полученный результат согласуется с наиболее точными предыдущими измерениями, выполненными на LEP, а также с предсказанием Стандартной модели (91 204,7 ± 8,8 МэВ). Это подтверждает способность БАК, несмотря на более сложную среду экспериментов, обеспечивать результаты высочайшей точности.
Данное достижение открывает новые перспективы. Любое, даже незначительное, отклонение от полученного результата в будущих исследованиях может указывать на существование новых частиц или физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Будущие модернизации БАК, такие как проект High Luminosity LHC, и планируемые коллайдеры, например, FCC-ee, позволят достичь ещё большей точности измерений массы Z-бозона.