Hmotnosť W bozónu vo svetle zlepšeného merania experimentu ATLAS
Zlepšené meranie hmotnosti W bozónu experimentom ATLAS je v súlade so Štandardným modelom časticovej fyziky.
Geneva, 23 March 2023. Experiment ATLAS v CERNe vykonal nové presné meranie hmotnosti W bozónu. W bozón je fundamentálna častica zodpovedná za nabitú slabú silu.
Dnes na konferencii v Rencontres de Moriond bol odprezentovaný tento nový výsledok založený na opätovnej analýze vzorky zloženej zo 14 miliónov W bozónových kandidátov vyprodukovaných v protón-protónových zrážkach na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC), ktorý je vlajkovou loďou CERNu.
Nielenže je toto nové meranie experimentu ATLAS presnejšie než všetky predošlé, ale, s výnimkou jedného prípadu, je s nimi aj v zhode. Spomenutou výnimkou je najaktuálnejšie meranie experimentu CDF na bývalom urýchľovači Tevatron vo Fermilabe.
Elektricky nabitý W bozón, spolu s elektricky neutrálnym Z bozónom, sprostredkúvajú slabú silu. Slabá sila je fundamentálna sila zodpovedná za niektoré formy rádioaktivity a za iniciáciu jadrovej fúzie, ktorá poháňa naše Slnko.
Objav týchto častíc, ktorý sa uskutočnil pred 40-timi rokmi v CERNe, prispel k potvrdeniu teórie elektroslabých interakcií, ktorá zjednocuje elektromagnetické a slabé sily. Táto teória teraz tvorí fundament Štandardného modelu časticovej fyziky. Vedci z CERNu, ktorí sa zaslúžili o tento objav, obdržali zaň v roku 1984 Nobelovu cenu za fyziku.
Následne po objave W bozónu sa v experimentoch na častičových urýchľovačoch v CERNe a inde uskutočňovali stále presnejšie merania jeho hmotnosti. Hmotnosť W bozónu je v Štandardnom modeli tesne prepojená so silou elektroslabých interakcií a s hmotnosťami najťažších fundamentáknych častíc, ako sú Z bozón, top kvark a Higgsov bozón. Tieto väzby vymedzujú hmotnosť W bozónu na hodnotu 80354 miliónov elektrónvoltov (MeV) s neurčitosťou o veľkosti 7 MeV.
Akákoľvek odchýlka nameranej hmotnosti od predpovede Štandardného modelu by bola indikátorom novej fyziky v podobe nových častíc a interakcií. Aby sme dosiahli citlivosť voči takýmto odchýlkam, merania hmotnosti musia byť extrémne presné.
V roku 2017 ATLAS zverejnil svoje prvé meranie hmotnosti W bozónu. Toto meranie bolo uskutočnené na vzorke W bozónov zaznamenaných ATLASom v roku 2011, keď zrážková energia LHC bola 7 TeV. Hmotnosť W bozónu vyšla 80370 MeV s neurčitosťou 19 MeV.
Tento výsledok predstavoval v tom čase najpresnejšiu hodnotu hmotnosti W bozónu, aká bola kedy získaná jedným experimentom a bol v dobrej zhode s predpoveďou Štandardného modelu, ako aj so všetkými predošlými experimentálnymi výsledkami, včítane experimentov na Veľkom elektrón-pozitrónovom urýchľovači (LEP), ktorý bol predchodcom LHC v CERNe.
Minulý rok zverejnila kolaborácia CDF vo Fermilabe dokonca presnejšie meranie založené na analýze všetkých dát zhromaždených na Tevatrone. Ich výsledok, ktorý bol 80434 MeV s neurčitosťou 9 MeV, sa významne odchyľoval od predpovedi Štandardného modelu, ako aj od ďalších experimentálnych výsledkov. Z toho vznikla potreba ďalších meraní, ktoré by sa pokúsili určiť príčinu tejto nezhody.
Vo svojej novej štúdii ATLAS opätovne zanalyzoval svoju vzorku W bozónov z roku 2011 a zlepšil presnosť voči predošlej analýze. Nová hmotnosť W bozónu, ktorá má hodnotu 80360 MeV s neurčitosťou 16 MeV, je o 10 MeV menšia a o 16% presnejšia, než bol predošlý výsledok získaný ATLASom. Tento výsledok je v zhode so Štandardným modelom.
Na získanie tohoto výsledku použil ATLAS pokročilejšiu techniku fitovania dát, ako aj aktuálnejšiu zlepšenú verziu partónových distribučných funkcií pre protón. Tieto funkcie opisujú rozdelenie hybnosti protónu medzi kvarky a gluóny, z ktorých sa protón skladá. Naviac, za použitia na tento účel určených protón-protónových LHC zrážok, ATLAS preveril teoretický opis produkcie W bozónov.
“Kvôli nedetekovateľnosti neutrína z rozpadu W bozónu meranie hmotnosti W bozónu patrí medzi najťažšie presné merania, ktoré sa vykonávajú na hadrónových urýchľovačoch. Toto meranie si vyžaduje extrémne presnú kalibráciu meraných energií a hybností častíc a tiež pozorné vyhodnotenie a dokonalú kontrolu nepresností modelovania,” povedal hovorca experimentu ATLAS Andreas Hoecker. “Tento zlepšený výsledok z ATLASu poskytuje dôkladný test a potvrdzuje konzistentnosť nášho chápania elektroslabých interakcií.”
Ďalšie merania hmotnosti W bozónu sa očakávajú od ATLASu a CMS, ako aj od LHCb, ktoré nedávno uskutočnilo svoje prvé meranie hmotnosti W bozónu.
Obr.1 Zobrazenie prípadu, keď sa v experimente ATLAS kandidát na W bozón rozpadá na mión a miónové neutríno. Modrá čiara ukazuje zrekonštruovanú dráhu miónu a červená šípka energiu nedetekovaného miónového neutrína. (Image : CERN)
Obr.2 Porovnanie nameranej hodnoty hmotnosti W bozónu s ďalšími publikovanými výsledkami. Zvislé pruhy zobrazujú predpoveď Štandardného modelu a horizontálne pruhy a čiary ukazujú štatistické a celkové neurčitosti výsledkov. (Image : CERN)
