«Апостериори»: Физики приблизились к разрешению спора о массе W-бозона

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Коллаборация CMS, работающая на Большом адронном коллайдере в CERN, представила одно из самых точных измерений массы W-бозона – частицы, отвечающей за слабое взаимодействие. Полученное значение оказалось близким к предсказаниям Стандартной модели и противоречит результату, опубликованному в 2022 году коллаборацией CDF, который многие учёные рассматривали как возможный намёк на новую физику.

W-бозон – одна из фундаментальных частиц Стандартной модели. Вместе с Z-бозоном он переносит слабое взаимодействие – силу, ответственную, например, за радиоактивный распад. Массы W- и Z-бозонов связаны между собой уравнениями электрослабой теории. При этом на них влияют квантовые поправки, возникающие из-за взаимодействий с другими частицами, включая тяжёлые частицы вроде верхнего кварка и бозона Хиггса. Именно поэтому чрезвычайно точные измерения массы W-бозона могут косвенно указывать на существование пока неизвестных частиц.

На протяжении многих лет результаты разных экспериментов в целом согласовывались со Стандартной моделью. Однако в 2022 году коллаборация CDF, анализировавшая данные уже закрытого ускорителя Tevatron в США, сообщила о неожиданно большой массе W-бозона. Полученное значение отличалось от предсказаний Стандартной модели настолько сильно, что это вызвало серьёзные дискуссии в физическом сообществе. Некоторые исследователи предположили, что речь может идти о признаках физики за пределами Стандартной модели. Среди возможных объяснений обсуждались новые типы бозонов, дополнительные хиггсовские поля и другие экзотические сценарии.

Теперь собственное высокоточное измерение представила коллаборация CMS. Исследователи проанализировали более 100 миллионов распадов W-бозонов, зарегистрированных в 2016 году при столкновениях протонов на энергии 13 тераэлектронвольт. Это крупнейшая выборка событий, когда-либо использовавшаяся для подобных измерений.

Главная сложность заключается в том, что W-бозон распадается на мюон и нейтрино. Нейтрино практически не взаимодействует с веществом и не регистрируется напрямую детектором. Поэтому массу частицы приходится определять косвенно – по распределению импульсов мюонов и по так называемому недостающему поперечному импульсу.

Чтобы достичь необходимой точности, авторам пришлось учитывать множество факторов: калибровку импульса мюонов, особенности магнитного поля детектора, влияние одновременных столкновений протонов и даже распределение кварков внутри самих протонов. Одной из главных проблем также стало теоретическое описание движения W-бозонов после столкновения частиц. В новой работе исследователи использовали современные методы квантовой хромодинамики и новые методы оценки теоретических неопределённостей, позволяющие более точно учитывать недостающие поправки в расчётах. В результате масса W-бозона составила около 80360 МэВ с неопределённостью менее 10 МэВ. Это значение хорошо согласуется с предсказаниями Стандартной модели и заметно отличается от результата CDF.

Авторы подчёркивают, что их измерение не доказывает ошибочность результата CDF напрямую. Однако теперь именно измерение CDF остаётся единственным крупным результатом, существенно выбивающимся из общей картины. При этом точность нового измерения CMS сопоставима с точностью американского эксперимента.

Исследователи также отдельно проверили надёжность своей методики на Z-бозонах, масса которых известна с исключительно высокой точностью ещё со времён ускорителя LEP. Эти проверки показали хорошее согласование с уже известными значениями, что усиливает доверие к новому результату.

Хотя говорить о полном разрешении противоречия пока рано, новая работа заметно ослабляет аргументы в пользу того, что аномалия CDF действительно связана с новой физикой. Вероятно, окончательно прояснить ситуацию помогут будущие измерения CMS и ATLAS, выполненные на ещё больших объёмах данных Большого адронного коллайдера.