Наше представление о фундаментальных законах Вселенной столкнулось с серьезным вызовом. Десятилетние исследования в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб, США) привели к шокирующему открытию: масса W-бозона — ключевой частицы, ответственной за такие явления, как радиоактивность, — оказалась существенно больше, чем предсказывает Стандартная модель. Эта теория, считающаяся краеугольным камнем современной физики элементарных частиц, впервые не прошла экспериментальную проверку с такой высокой точностью. Результат открывает путь к принципиально новому пониманию субатомного мира и, возможно, указывает на существование неизвестных нам сил или частиц.
Роль W-бозона в устройстве Вселенной
W-бозон, теоретически предсказанный в 1960-х и открытый в 1983 году, является переносчиком слабого ядерного взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы. Эта частица играет роль универсального «преобразователя»: именно она позволяет протонам превращаться в нейтроны и наоборот, что является основой многих ядерных процессов. В рамках электрослабой теории, объединяющей электромагнетизм и слабое взаимодействие, W-бозон можно считать массивным «кузеном» безмассового фотона. Его работа лежит в основе не только радиоактивного распада, но и термоядерных реакций, питающих Солнце и другие звезды. Масса W-бозона не произвольна — она жестко связана с параметрами других частиц, таких как бозон Хиггса и электрон, в рамках строгого баланса, который и описывает Стандартная модель.
Поэтому точное измерение массы W-бозона — это мощный инструмент для проверки всей теории в целом. Однако задача крайне сложна: W-бозон нестабилен и почти мгновенно распадается после рождения в столкновениях частиц, что делает его прямое наблюдение и изучение чрезвычайно трудным.
Стандартная модель, окончательно завершенная после открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в 2012 году, блестяще описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий (электромагнитное, сильное и слабое). Но у нее есть очевидные пробелы: она не включает гравитацию и не объясняет природу темной материи, которая, как считается, составляет 85% материи во Вселенной. Новое открытие может стать ключом к выходу за пределы этой теории.
Монументальное измерение и его результаты
Чтобы получить максимально точное значение, международная команда из почти 400 ученых под руководством Ашутоша Котвала из Университета Дьюка на протяжении десяти лет анализировала колоссальный объем данных. Они исследовали около 4 миллионов событий-кандидатов на рождение W-бозона, отобранных из 450 квадриллионов столкновений частиц, проведенных на коллайдере Тэватрон в Фермилабе. Результаты этой титанической работы были опубликованы в авторитетном журнале Science.
С момента открытия W-бозона его массу оценивали примерно в 85 масс протона, но точность ранних измерений оставляла желать лучшего. Новое исследование кардинально изменило ситуацию. Ученые установили, что масса W-бозона составляет 80 443,5 мегаэлектронвольт (МэВ), что примерно на 0,09% больше предсказанного Стандартной моделью значения в 80 379 МэВ. Хотя разница кажется небольшой, ее статистическая значимость огромна — она превышает экспериментальную погрешность в семь раз. Чтобы понять масштаб точности, можно провести аналогию: это как измерить массу 80-килограммового человека с точностью до 10 граммов и обнаружить, что он весит на 70 граммов больше всех теоретических расчетов.
Компьютерное изображение столкновения частиц в детекторе CDF лаборатории Ферми, показывающее распад W-бозона на позитрон (пурпурный блок, слева внизу) и невидимое нейтрино (желтая стрелка).
Данные были получены на детекторе CDF коллайдера Тэватрон, который, как и БАК, сталкивал частицы на околосветовых скоростях. W-бозоны рождались в этих столкновениях и почти мгновенно распадались, чаще всего на электрон (или мюон) и нейтрино. Основная сложность измерений заключалась в том, что нейтрино практически не взаимодействует с детектором и улетает незамеченным, унося с собой часть энергии и импульса. Это похоже на попытку вычислить вес разбившегося предмета, зная траекторию только одного из осколков.
Обратите внимание: Большой адронный коллайдер обнаружил новые частицы.
Секрет успеха: технологии и упорство
Прорыв стал возможен благодаря революционному улучшению методик анализа. За последнее десятилетие ученые научились с невероятной точностью отслеживать траектории частиц в магнитном поле детектора. Разрешение измерений удалось улучшить более чем в пять раз — с 150 микрон до менее чем 30 микрон. Это позволило с беспрецедентной точностью измерить энергию электронов, рождающихся при распаде W-бозона, и, используя сложные статистические методы и мощные вычислительные алгоритмы (включая программу Resbos), восстановить исходную массу частицы.
Ашутош Котвал подчеркивает, что команда заранее зафиксировала методику анализа, чтобы избежать неосознанной подгонки результатов под ожидаемую теорию. «Мы считаем, что в этом конкретном показателе есть сильный намек на то, что природа может приготовить для нас», — заявил ученый.
Что это значит для физики? Новые горизонты и проверки
Полученный результат пока является единичным, хотя и чрезвычайно точным. Он несколько расходится с данными других экспериментов, поэтому критически важно независимое подтверждение. Надежды возлагаются на детекторы Большого адронного коллайдера (БАК), такие как CMS, которые сейчас являются единственными установками, способными генерировать W-бозоны в достаточном количестве для подобных высокоточных измерений.
Если аномалия подтвердится, она встанет в один ряд с другими загадками, не укладывающимися в Стандартную модель. В последние годы физики также наблюдали странности в магнитных свойствах мюона и в поведении прелестных (b-) кварков. Все вместе эти «трещины» в теории могут указывать на существование новой физики.
Среди возможных объяснений ученые рассматривают:
• Суперсимметрию — теорию, предсказывающую для каждой известной частицы более тяжелого «партнера».
• Новые, еще не открытые частицы, которые могут влиять на свойства W-бозона.
• «Темный сектор» — гипотетическое семейство частиц, связанных с темной материей.
Флоренсия Канелли, физик из Цюрихского университета, назвала результат «монументальным». По словам профессора Котвала, это открытие может указать на существование новых взаимодействий или частиц, которые современные эксперименты пока не в состоянии напрямую обнаружить. «Мы идем по пути, не пренебрегая ни одним следом. Так что в конце концов мы поймем», — заключает он.
Научному сообществу теперь предстоит кропотливая работа по проверке и осмыслению этого открытия. Оно может стать первым шагом к новой, более полной теории мироздания, которая включит в себя и темную материю, и гравитацию, и, возможно, другие еще неведомые нам явления. Путь к пониманию фундаментальных основ нашей Вселенной только начался.
#физика #наука #достижения науки #вселенная #как это устроено #оснва-мироздания #W-бозон #новости мира #научные исследования
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Самое точное на сегодняшний день измерение w-бозона потрясает основы физики элементарных частиц.