Надеждите за нова физика са попарени от обикновени W-бозони в ЦЕРН

Възможната пукнатина в Стандартния модел на физиката на елементарните частици изглежда се свива, тъй като новите данни от Големия адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН противоречат на предишен озадачаващ резултат, който развълнува физиците за възможността за нова, екзотична физика - но някои загадки остават.

"Стандартният модел засега оцелява", заявява Джош Бендавид (Josh Bendavid) от Масачузетския технологичен институт пред препълнената зала за семинари в ЦЕРН, лабораторията по физика на елементарните частици близо до Женева, Швейцария, на 17 септември.

Той представи нови данни за масата на W-бозона - фундаментална частица, която е от решаващо значение за процеси като ядрения разпад и определянето на масата на Хигс бозона.

Въпросите за масата на W бозона започнаха през 2022 г., когато физици, работещи с данни от колайдера Теватрон във Фермилаб в Илинойс, предизвикаха сензация в общността на физиците на елементарните частици. Тяхната стойност за масата на W-бозона се разминаваше значително с тази, предсказана от Стандартния модел - най-добрата ни представа за това как си взаимодействат частиците и силите на Вселената, което подсказваше, че физиците може да са пропуснали нещо. Това би означавало съществуването на неоткрити частици или сили и би довело до първото голямо пренаписване на законите на квантовата физика от половин век.

_{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}

Но през 2023 г. изследователи от ЦЕРН поставят под съмнение това несъответствие, след като повторно анализират стари данни, получени от детектора ATLAS в LHC. Те откриват стойност за масата на W-бозона, която отново съвпада с прогнозата на Стандартния модел, отслабвайки надеждите за отклонение от познатата физика.

Сега Бендавид и колегите му са определили нова стойност за масата на W-бозона, използвайки нови данни от друг детектор на LHC - Компактния мюонен соленоид (CMS - Compact Muon Solenoid), и са открили стойност от 80,353 милиона електронволта (MeV), която с неопределеност от 6 MeV съвпада със Стандартния модел. Малката неопределеност също така прави това най-точното измерване, извършено в LHC, посочва Бендавид.

Ашутош Котвал (Ashutosh Kotwal) от Университета Дюк в Северна Каролина, който ръководи научното сътрудничество, довело до резултата от Теватрон, заявява, че е прекрасно да се направи още едно измерване на масата на W бозона, но тъй като колайдерите LHC и Теватрон използват различни методи за получаване на частицата, е трудно да се сравняват резултатите.

Котвал смята, че са нужни допълнителни или независими данни от Теватрон. За съжаление, Теватронът е спрян през 2011 г., така че няма да има повече нови данни.

Всичко това означава, че е твърде рано да се каже кое измерване на масата на W бозона е правилно и че разликите все още трябва да бъдат обяснени.

"Това не свършва с две числа на масата, това е началото", отбелязва Котвал. "Това е моментът, в който започваме да обсъждаме научните и техническите подробности за процедурите. Истината е някъде там, във Вселената има маса на бозона W. И всички се опитваме да я открием."

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.

^{Сравнение W бозон и протон.}

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.

Диаграма на Файнман: wikipedia

Разпадът на неутрона: n → p + e^- + ν_e , 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^- + ν_e.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).

^{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:

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.

Източник:

Hopes for new physics dashed by ordinary-looking W bosons at CERN, New Scientist

Newly Measured Particle Seems Heavy Enough to Break Known Physics, quantamagazine

Още по темата

29/07/2024

Физика

Един прост физичен експеримент може да разкрие "тъмното измерение"

29/01/2024

Физика

Рядък разпад на бозона на Хигс може да сочи към физика отвъд Стандартния модел

11/04/2022

Физика

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

06/06/2018

Физика

Хигс бозонът с най-тежката частица в най-силното взаимодействие може да обясни откъде идва масата