Физики из эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере с высокой точностью измерили массу W-бозона и получили значение 80360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольта. Это значение согласуется с предсказанием Стандартной модели элементарных частиц и с большинством прежних измерений, но расходится с результатом коллаборации CDF 2022 года. Статья опубликована в Nature.
W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие, а их массы в Стандартной модели элементарных частиц жестко связаны с другими параметрами теории. Поэтому точное измерение массы W-бозона давно считают чувствительной проверкой модели: если эксперимент даст заметное отклонение, это может указывать либо на недоучтенные систематические эффекты, либо на новую физику. В 2022 году ученые из эксперимента CDF сообщили о массе W-бозона в 80433,5 ± 9,4 мегаэлектронвольта — существенно выше ожидаемого значения около 80357 мегаэлектронвольт. Тогда было неясно, ошибается ли CDF, недооценены ли теоретические или экспериментальные неопределенности, или же Стандартную модель действительно нужно расширять.
Физики из эксперимента CMS под руководством Анади Канепа (Anadi Canepa) из Национальной лаборатории Ферми проанализировали выборку протон-протонных столкновений при энергии 13 тераэлектронвольт и определили массу W-бозона с высокой точностью. Для измерения ученые использовали распады W-бозона на мюон и нейтрино и отобрали более 117 миллионов таких событий. Значение массы извлекали из детальной аппроксимации трехмерного распределения по поперечному импульсу мюона, его псевдобыстроте и электрическому заряду.
Одними из основных трудностей стали калибровка импульса мюонов и учет теоретических неопределенностей. Для калибровки ученые использовали распады J/ψ → μμ, а затем проверяли ее на распадах Υ(1S) и Z-бозона. В итоге физики получили массу W-бозона, равную 80360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольта. Это значение совпало с предсказанием электрослабого фита 80353 ± 6 мегаэлектронвольт и оказалось несовместимым с результатом CDF.
Ученые отдельно проверили устойчивость анализа на Z-бозонах. В прямом измерении массы Z-бозона и в анализе Z → μμ они получили результаты, согласующиеся с известной величиной, что стало важной проверкой методики. Основной вклад в неопределенность нового измерения дали калибровка импульса мюонов и неопределенности партонных функций распределения. По точности результат CMS оказался сопоставим с измерением CDF и заметно превзошел предыдущие результаты, полученные на Большом адронном коллайдере. Таким образом, новое самое точное измерение поддержало Стандартную модель, а не аномалию CDF.
Ранее мы уже разбирали, почему результат CDF стал для физиков «камешком в ботинке» и какие теоретические и экспериментальные причины могли стоять за этим расхождением.