На Большом адронном коллайдере впервые измерили ширину W-бозона

Открытие бозона Хиггса в 2012 году стало важной частью Стандартной модели физики элементарных частиц. Тем не менее, это оставило нерешенные вопросы. Что лежит за ней? Где новые явления, которые могли бы раскрыть оставшиеся загадки Вселенной, такие как природа темной материи и происхождение асимметрии материи-антиматерии?

Одним из параметров, который может дать ключ к разгадке новых физических явлений, является «ширина» W-бозона, носителя электрического заряда слабого взаимодействия. Ширина частицы напрямую связана с ее временем жизни и описывает, как она распадается на другие частицы. Если W-бозон распадется неожиданным образом, например, на еще не открытые новые частицы, это повлияет на измеренную ширину.

Стандартная модель точно теоретически предсказывает ее значение на основе слабого взаимодействия (силы, отвечающей за процессы в атомном ядре, переносчик которой — W-бозон), и массы W-бозона. Это значит, что любое значительное отклонение от предсказания будет указывать на наличие неучтенных, неизвестных явлений.

В новом исследовании, опубликованном на сервере препринтов arXiv, коллаборация ATLAS впервые измерила ширину W-бозона на Большом адронном коллайдере, сообщает ЦЕРН. На Большом электрон-позитронном коллайдере ЦЕРН и в Тэватронном коллайдере Фермилаб ранее было получено среднее значение в 2085 ± 42 миллиона электронвольт (МэВ). Предсказание Стандартной модели — 2088 ± 1 МэВ, то есть полученный экспериментально результат ему соответствовал.

Используя данные протон-протонных столкновений при энергии 7 ТэВ, собранные на БАКе, ATLAS показал ширину W-бозона в 2202 ± 47 МэВ. На сегодняшний день это самое точное измерение, полученное в ходе одного эксперимента, и, хотя оно немного больше, оно все равно согласуется с предсказаниями Стандартной модели с точностью до 2,5 стандартных отклонений. (Стандартное отклонение — распределение значений относительно среднего в выборке, стандартное отклонение около 2 говорит о том, что весь разброс значений не сильно отличается от средних.) Этот замечательный результат был достигнут путем проведения детального анализа импульса частиц при распаде W-бозона на электрон или мюон и нейтрино. Это потребовало от физиков точно откалибровать реакцию детектора.

Коллаборация ATLAS измерила ширину W-бозона одновременно с массой W-бозона, используя статистический метод. Обновленное измерение массы W-бозона составляет 80367 ± 16 МэВ, что улучшает и заменяет предыдущее измерение ATLAS с использованием того же набора данных. Измеренные значения массы и ширины согласуются с предсказаниями Стандартной модели.