Новые данные с Большого адронного коллайдера позволили разгадать загадку массы W-бозона

После неожиданного (и даже сенсационного) измерения массы W-бозона в 2022 году коллайдером в Фермилабе (США), физики в рамках эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере «перемеряли» массу этой частицы, «переносчика» одной из важнейших сил в природе. Новая методика позволила сделать измерение массы W-бозона самым детальным на сегодняшний день, сообщает Фермилаб.

Спустя почти 10 лет расчетов, CMS установил, что масса W-бозона соответствует предсказаниям, наконец решив многолетнюю загадку.

В финальном анализе использовались данные с 300 миллионов наблюдений распада частиц, собранных в 2016 году, и 4 миллиардов смоделированных. Из этого набора данных команда реконструировала и измерила массу более 100 миллионов W-бозонов.

Обнаружилось, что масса W-бозона составляет 80 360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольт (МэВ), что соответствует предсказаниям Стандартной модели в 80 357 ± 6 МэВ. 

С момента открытия W-бозона в 1983 году, физики измеряли его массу на 10 различных экспериментах. W-бозон — один из краеугольных камней Стандартной модели, описывающей природу на самом фундаментальном уровне. Точное понимание массы W-бозона позволяет ученым описывать взаимодействие частиц и сил.

«Вся вселенная — это деликатный баланс. Если масса W-бозона отличается от нашего ожидания, это может означать наличие новых частиц или сил», — сказал Анади Канепа, заместитель руководитель эксперимента CMS и старший ученый в Фермилабе.

Новое измерение имеет точность 0,01%. Это уровень точности, сравнимый с измерением карандаша длиной 10 см до промежутка между 9,9996 и 10,0004 см. Но в отличие от карандашей, W-бозон является фундаментальной частицей без физического объема.

Поскольку большинство фундаментальных частиц чрезвычайно недолговечны, ученые измеряют их массы, суммируя массы и импульсы всех продуктов их распада. Этот метод хорошо работает для частиц, таких как Z-бозон, который распадается на два мюона. Но W-бозон представляет собой большую проблему, поскольку один из продуктов его распада — крошечная фундаментальная частица под названием нейтрино.

«Нейтрино чрезвычайно трудно измерить. В экспериментах на коллайдере нейтрино остается незамеченным, поэтому мы можем работать только с половиной картины. Работа с половиной картины требует творческого подхода: сначала мы смоделировали миллиарды столкновений. В некоторых случаях нам даже пришлось моделировать небольшие деформации в детекторе. Точность настолько высока, что мы заботимся о малейших искажениях, даже если они шириной в человеческий волос», — сказал Джош Бендэвид, ученый из Массачусетского технологического института.

Ученые также исследовали 100 миллионов треков от распадов хорошо известных частиц для перекалибровки огромной части детектора CMS, чтобы он стал на порядок точнее.