30 юни 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Най-точното измерване на масата на W бозона се различава от прогнозата на Стандартния модел

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 11 април 2022 в 00:01 73810
Стандартният модел на физиката на елементарните частици. (CC BY 2.0)

Физици откриха, че елементарна частица, наречена W бозон, изглежда е по-тежка с 0,1% от предвиденото от Стандартния модел. И това много притеснява физиците. Защото това малко несъответствие може да предвещава огромна промяна във фундаменталната физика.

След 10 години внимателен анализ и проверка бе съобщено наскоро в списание Science, че е постигнато най-точното измерване досега на масата на W бозона, частица-преносител на една от фундаменталните сили. Използвайки данни, събрани от едит стар ускорител на частици в Националната ускорителна лаборатория "Ферми" в Батавия, Илинойс, който разби последните си протони преди десетилетие.

Приблизително 400-те членове на екипа на Collider Detector at Fermilab (CDF) са продължили да анализират W бозоните, произведени от колайдера, наречен Tevatron, проследявайки безброй възможни източници на грешки, за да достигнат това несравнимо ниво на прецизност.

Тяхната измерена стойност от 80 433 ± 9,4 MeV се различава от прогнозите на Стандартния модел със седем стандартни отклонения, което може да бъде най-значимият резултат за "нова физика".

Точността е 0,01% - два пъти по-точно от предишното най-добро измерване. Това съответства на измерване на теглото на 100-килограмова пералня с точност до 10 грама.

Ако допълнителната маса спрямо стандартната теоретична прогноза на W бозона може да бъде независимо потвърдена, откритието би означавало съществуването на неоткрити частици или сили и би довело до първото голямо пренаписване на законите на квантовата физика от половин век.

Вдясно: Взаимодействия във физиката са начините, по които частици влияят на други частици. Горе: Сравнение W бозон и протон.

„Това би било пълна промяна в начина, по който виждаме света“, потенциално дори съперничи по значимост на откриването на Хигс бозона през 2012 г., коментира Свен Хайнемайер (Sven Heinemeyer), физик от Института по теоретична физика в Мадрид, който не е част от CDF.

Хигс бозонът обаче се вписва добре в известната досега теоретична рамка, но по-масивният W бозон - не. Това би било изисквало напълно нова област.

Експериментални измервания и теоретични прогнози за масата на W бозона. Червената непрекъсната елипса показва измерването на MW , докладвано в новата статия, и глобалната комбинация от измервания на масата на горния кварк, mt=172.89±0.59 GeV. Корелацията между измерванията MW и mt е незначителна. Сивата пунктирана елипса, актуализирана през 2020 г. от измерване от 2014 г., показва 68% ниво на доверие (CL), разрешено от предишната комбинация LEP-Tevatron МW=80,385±15 MeV и mt. Тази комбинация включва измерването на MW, публикувано от CDF през 2012 г., което новата статия както актуализира (увеличаване на MW с 13,5 MeV), така и прецизира. Като илюстрация, зелената засенчена област показва прогнозираната маса на W бозона като функция от масата на горния кварк m t в минималното суперсиметрично разширение (едно от многото възможни разширения) на Стандартния модел (SM), за набор от параметри на суперсиметричния модел. Дебелата лилава линия в долния ръб на зелената област съответства на SM прогнозата с масата на Хигс бозона, измерена в LHC, използвана като входни данни. Стрелката показва вариацията на предвидената маса на W бозона, докато скалата на масите на суперсиметричните частици се понижава. Сканирането на параметрите на суперсиметричния модел е с илюстративна цел и не включва всички изключения от директните търсения в LHC. Кредит:  CDF Collaboration/Science, 2022

Слабите бозони

Някой би казал: "защо точно сега трябва да се тревожим за една странна малка частица, наречена W бозон".

W бозоните, заедно с Z бозоните, са посредници на слабата сила, една от четирите фундаментални сили на Вселената. За разлика от гравитацията, електромагнетизма и силното взаимодействие, слабото взаимодействие, както показва името му, няма толкова силата да привлича или отблъсква като първите две сили, а трансформира по-тежките частици в по-леки.

За тези, които не се интересуват от много подробности, ще кажа само, че без слабото взаимодействие слънцето би спряло да грее.

Слабото взаимодействие 

Благодарение на слабото взаимодействие, в което участват всички фермиони - лептони и кварки) се осъществява радиоактивния разпад на субатомните частици, както и ядрения синтез в звездите и в частност - производството на деутерий и хелий от водород в термоядрения синтез на нашето Слънце. Може да се каже, че тези взаимодействия са в основата и на Живота.

Слабото взаимодействие включва обмен на промеждутъчните векторни бозони: W± и Z0. Тъй като масата на тези частици е от порядъка на 80 GeV, принципа на неопределеността диктува обхват от около 10-18 м, което е около 0.1% от диаметъра на протона. Технически, това е една от най-големите сили, по-силна от гравитацията, но тъй като въпросните частици са толкова големи, пътуването им се ограничава до много кратко разстояние.

Масите на промежутъчните бозони се оказват твърде големи - те са около 80 пъти повече от масите на протоните. Това са най-тежките частици, създавани някога в лаборатория.

За разлика от глуоните, промеждутъчните бозони, също като фотоните могат да съществуват в свободно състояние.

Уникалността на слабото взаимодействие се състои в това, че само при него, може един кварк да смени типа си, фермиони да се "превърнат" в лептони, без следа от миналото състояние. Кварк от един аромат може да се превърне в един кварк от друг аромат само чрез слабо взаимодействие, чрез абсорбиране или излъчване на W  и Z бозони. Такъв механизъм на ароматна трансформация предизвиква радиоактивния процес на бета разпад, при който един неутрон "се разпада" на протон, електрон и електронно антинеутрино.

атоми ядра електрони кваркиДиаграма на Файнман: wikipedia

Разпадът на неутрона: n → p + e- + νe , изглежда на кварково ниво на два етапа. На първия етап става превръщане на d-кварк в u-кварк и W --бозон:

d → u + W -, а на втория W --бозонът се разпада на електрон и антинеутрино: W - → e- + νe.Както бета разпада, така и обратния процес на обратен бета разпад се използват рутинно в медицински приложения като позитронна емисионна томография (PET) и по-високо енергийни експерименти.

Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от матрица , наречена Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица (CKM матрица).

атоми ядра електрони кварки Схема: gravity.wikia

Градиентът  на слабите взаимодействия между шестте кварка е показан на схемата вляво.Интензитетът на линиите се определя от елементите на матрицата CKM: атоми ядра електрони кварки

Различни експерименти измерват масите на W и Z бозоните през последните 40 години. Масата на W бозона се оказа особено привлекателна цел.

Докато другите маси на частиците трябва просто да бъдат измерени и приети като естествени факти, W масата може да бъде предвидена чрез комбиниране на няколко други измерими квантови свойства в уравненията на Стандартния модел.

Видео: Стандартният модел на физиката на елементарните частици е най-успешната научна теория на всички времена. Това е обяснение физикът от Университета Кеймбридж Дейвид Тонг (David Tong).

По-голямата маса на W бозона, макар да изглежда незначително отклонение, предизвиква парадокс за Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Това е като симбиотичен свят на частици и ако тази частица не е равна на тази маса, останалата част от модела не работи. А трябва ли да променим модела, ще трябва да променим разбирането си за това как работят всички частици във Вселената.

Улавянето на W

Новото измерване на масата на CDF се основава на анализ на около 4 милиона W бозони, произведени в Tevatron между 2002 и 2011 г. Когато Tevatron сблъсква протони и антипротони с енергия от 1,96 тераелектронволта, често изскача W бозон в последвалия хаос.

Но W бозонът е мимолетен. Той бързо се разделя на две по-малки частици, така че не може да се измери директно. Едината от тях е или електрон, или мюон, които могат да бъдат измерени директно - колкото по-бърз е мюонът или електронът, толкова по-тежък е W бозонът, който го е произвел.

Но другата частица е още по-странна и от самия W бозон: неутриното.

Частиците неутрино се наричат ​​уместно „призрачни“, защото не докосват нищо. В момента дори преминават през вас, но не можете да разберете, защото не докосват атомите, които изграждат тялото ви. 

Това призрачно препятствие означава, че учените трябва да бъдат много изобретателни. 

След като частиците неутрино изчезнат, те оставят след себе си нещо като дупка.

„В отпечатъка на неутриното липсва енергия“, обяснява съговорителят на CDF Джорджо Киарели (Giorgio Chiarelli), Италиански национален институт за ядрена физика (INFN-Пиза). "Това ни казва къде е отишло неутриното и колко енергия е отнесена."

Това е нещо подобно на концепцията на рентгеновата снимка - част от радиацията се абсорбира при преминаване през тествания обект, в зависимост от плътността на материала и неговата дебелина. 

След това, след декодиране на неутриното, учените използват куп сложни уравнения, за да съберат тези данни с данните за електрони или мюони. Така стигат до общата маса на W бозона. Това измерване е правено многократно, за да се гарантира, че всичко е възможно най-точно. И всички данни са подкрепени от теоретични изчисления.

Сравнение на масата на W бозона, получена в новото изследване (CDF II), с прогнозите на Стандартния модел (SM) и резултатите от други експерименти, включително тези, извършени в същия колайдер по-рано (CDF I). Кредит: CDF Collaboration/Science, 2022

Ашутош Котвал (Ashutosh Kotwal), физик от университета Дюк и движещата сила зад неотдавнашния анализ на колаборацията CDF, е посветил кариерата си на усъвършенстването на тази схема. Сърцето на експеримента с W бозона е цилиндрична камера, пълна с 30 000 високоволтови проводника, които реагират, когато мюон или електрон прелети през тях, което позволява на изследователите от CDF да направят извод за пътя и скоростта на частицата. Познаването на точната позиция на всеки проводник е от решаващо значение за точното проследяване на траекторията. За новия анализ Котвал и неговите колеги се възползват от мюоните, които падат от небето като космически лъчи. Тези частици, подобни на куршуми, които непрекъснато пронизват детектора в почти идеално прави линии, позволявайки на изследователите да определят позициите им спямо проводниците до 1 микрометър.

Те също така прекарат години между получаването на данните, правейки изчерпателни кръстосани проверки, повтаряйки измерванията по независими начини, за да изградят увереност, че разбират всяка особеност на Tevatron. През цялото време измерванията на W бозона се трупат все по-бързо и по-бързо. Последният анализ на CDF, публикуван през 2012 г., обхваща данни от първите пет години на Tevatron. През следващите четири години данните се учетворяват.

Детекторът CDF, един от двата експеримента, разположени в различни точки около 4-километровия пръстен на ускорителя на частици Tevatron, показан тук по време на инсталирането му през 2001 г. Кредит: Fermilab

Всичко това изглежда много солидно. Сега какво?

Така, след десетилетие на изчисления, измервания, кръстосани проверки от около 400 изследователи от много страни се стига до заключението, че W бозонът е малко по-тежък, отколкото Стандартният модел предвижда, че трябва да бъде.

 „От самото начало знаехме, че Стандартният модел не е идеалната теория“, отбелязва Киарели.

Например Стандартният модел не може да обясни гравитацията, тъмната материя и много други неуловими аспекти на нашата Вселена.

Една идея е, че тази нова информация за масата на W бозона може да означава, че трябва да добавим някои частици към стандартния модел, за да отчетем промяната. Това от своя страна би могло да повлияе на това, което знаем за известния Хигс бозон или „божествената частица“, която най-накрая беше открита през 2012 г. и събитието бе посрещнато с овации.

Но и според екипа на CDF е рано за аплодисменти. По техните думи просто трябва да следваме фактите, дори ако знаем, че фактите един ден ще ни доведат до нова фундаментална теория на физиката на елементарните частици.

„Това е като да се движиш в тъмното“, коментира Киарели. "Знаете, че има един правилен начин, но не знаете къде... може би нашето измерване може да ни даде правилната посока."

Такава голяма аномалия може да се дължи или на неотчетена систематична грешка, или на доказателство, че Стандартният модел трябва да бъде разширен. За да се провери първата хипотеза, ще е необходимо да се изчакат резултатите от работата на други научни групи, предимно ATLAS, работещи Големия адронен колайдер (LHC). Ако откритието бъде потвърдено, Стандартният модел ще трябва да включва ново взаимодействие или нова частица, която има твърде голяма маса, за да бъде уловена от съществуващите ускорители. Такива разширения предлагат някои модификации на теорията на суперсиметрията.

Потвърждаването на аномалията ще добави още една загадка към физиката на елементарните частици, които нарастват през последните години. 

Справка:

  1. A. V. Kotwal, High precision measurement of the W-boson mass with the CDF II detector, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abk1781. www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781
  2. Claudio Campagnari et al, An upset to the standard model, Science (2022). www.science.org/doi/10.1126/science.abm0101

Източници:

  1. Newly Measured Particle Seems Heavy Enough to Break Known Physics, quantamagazine
  2. ‘Huh, That’s Funny’: Physicists Delighted by New Measurement for the W Boson, Isaac Schultz, GIZMODO
  3. The most precise-ever measurement of W boson mass suggests the standard model needs improvement, Fermi National Accelerator Laboratory


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.