Šokiruojantys W bozono matavimai gali perrašyti dalelių fiziką

Naujas fundamentalios dalelės, W bozono matavimas, atrodo, nepaklūsta dalelių fizikos standartiniam modeliui (SM), apibūdinančiam bazinių Visatos statybinių blokų sąveiką. Gautas rezultatas, link kurio eita dešimt metų, bus kuo kruopščiausiai patikrintas, tačiau jeigu pasitvirtins, gali padėti sukurti visiškai naujas fizikos teorijas.

„Tai būtų didžiausias atradimas nuo, na, nuo standartino modelio pradžios prieš 60 metų,“ sako netoli Ženevos, Šveicarijoje, esančios CERN dalelių fizikos laboratorijoje dirbantis Martijn Mulders, kuris parašė tyrimo rezultato komentarą žurnalui Science.

SM aprašo tris pagrindines sąveikas: elektromagnetizmą, stipriąją sąveiką ir silpnąją sąveiką. Dalelės, vadinamos bozonais, perduoda šias sąveikas tarp materijos dalelių. Silpnojoje sąveikoje, tvarkančioje radioaktyvųjį skilimą, tokie pasiuntiniai yra W bozonai.

W bozonai yra tokia svarbi SM dalis, kad fizikai jų masę kuo tiksliau išmatuoti nuo pat pirmo jų stebėjimo 1983. Šie matavimai daugmaž vienas kitą atitiko, kas atrodė kaip SM tinkamumo patvirtinimas.

Tačiau dabar žinome, kad SM yra klaidingas. Jis nepaaiškina gravitacijos, dark tamsiosios materijos ir antimaterijos nebuvimo Visatoje, tad fizikai nuolat ieško matavimų nukrypimų, kurie galėtų nuvesti prie naujų teorijų.

Ashutosh Kotwal iš Duke universiteto Šiaurės Karolinoje su kolegomis paskelbė naują, Tevatron greitintuvo Ilinojuje duomenimis pagrįstą W bozono masės matavimo rezultatą: 80,4335 gigaelektronvoltai.

Bendrai priimama W bozono masė yra 80,379 GeV, ir nors neatitikimas gali atrodyti menkas, naujoji reikšmė yra kol kas tiksliausia, atitinkanti jūsų kūno masės pamatavimą 10 gramų tikslumu.

Dar svarbiau, kad skirtumo nuo plačiai priimamos W bozono masės statistinis reikšmingumas yra ~5 sigma, kas atitinka maždaug ⅟₃ ₅₀₀ ₀₀₀ tikimybę, kad gautas rezultatas yra atsitiktinis.

Kad ką nors pavadintų „atradimu“, fizikai įprastai naudoja 5 sigma statistinio reikšmingumo lygį, bet nauja masė skiriasi nuo numatomo standartiniu modeliu netgi dar labiau, ir siekia 7 sigma. Tai atitinka maždaug 1 iš 780 milijardų tikimybę, kad kažkas panašaus nutiko atsitiktinai.

Kotwalas ir jo komanda supranta, kad jų teiginys tikrai ekstraordinarus, galintis apversti visą fiziką, bet sako atlikę visus testus, kokius tik sugalvojo. Šiek tiek sisteminio neužtikrintumo – iš esmės, potencialių eksperimento rengimo klaidų – lieka, bet dabar metas rezultatus įvertinti kitiems, sako jis. „Manome, kad atsakymą remia mūsų pačių patikrinimai,“ sako jis.

W bozono masės matavimas

Komanda bozono masę matavo, sutrenkdami protonų ir antiprotonų srautus ir analizuodami susidariusias daleles. Analizė buvo tokias sudėtinga, kad rezultatų gavimas truko ilgiau nei dešimt metų, kai Tevatron buvo išjungtas 2011 m., bet potenciali jų reikšmė – milžiniška.

„Jeigu W bozono masė taip smarkiai neatitinka standartinio modelio prognozių, ir jeigu suprantame visus [sisteminius] neužtikrintumus, tuomet tai yra labai svarbu,“ pažymi Ulrik Egede iš Monash universiteto Australijoje.

Šis „jeigu” daugeliui fizikų yra svarbu, nes jie, nors ir tikrai sujaudinti rezultatų, jo nukrypimą nuo ankstesnių matavimų vertina atsargiai. „Prieš galvojant apie paaiškinimą fizika už standartino modelio ribų, iš pradžių reikia suprasti [šio rezultato] ir visų ankstesnių eksperimentų neatitikimą ,“ sako Matthias Schott iš CERN, dirbęs su ankstesniu W bozono masės matavimu, naudojant duomenis, surinktus Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) ATLAS eksperimentu prieš jo uždarymą 2018.

Neatitikimo priežastis rasti nelengva. W bozonai greitai skyla į kitas daleles, į elektroną ir elektrono neutriną, arba į sunkesnį miuoną ir miuono neutriną. Neutrinus aptikti sunku, tad Kotwalui su komanda jų ieškoti teko iš didžiulio duomenų masyvo. „[W bozono masės] matavimai laikomi vienais iš easkperimentiškai sudėtingiausių,“ pastebi Egede.

2018 metų ATLAS atliktas W bozono masės matavimas kol kas yra šviežiausias, bet nelabai gali prisidėti prie mįslės įminimo. ATLAS naudoti du protonų pluoštai, o ne protonų ir antiprotonų, tad rezultatus palyginti sunkiau, sako Kotwalas.

Jei fizikai Kotwalo komandos darbe problemų neras, kitas žingsnis bus kitas matavimas, kuris gali būti iš trijų kitų LHC eksperimentų. „Tai yra vienintelis greitintuvas, kurio energijos pakanka sukurti W bozonus,“ sako Harry Cliff iš Kembridžo universiteto. Naujus matavimus LHC rengiamasi pradėti šiais metaus, nes nuo 2018 metų jis neveikė, bet Muldersas sako, kad per ankstesnį paleidimą surinkti CMS eksperimento duomenys gali padėti naujai išmatuoti W bozono masę jau kitais metais.

Jei rezultatai pasitvirtins, jie prisijungs prie kitų nepaaiškintų anomalijų, kaip Muon g-2 eksperimento ir LHC aptiktais gelminių kvarkų neatitikimais, kurioms paaiškinti gali prisireikti naujų fizikos teorijų. Nors aiškių tokios teorijos pretendentų nesimato, Kotwaldas sako, kad kai kurie supersimetrijos variantai, kuriems reikia visos naujų dalelių aibės, didesnę W bozono masę gali paaiškinti.

Nors rezultatų gavimas truko 10 metų, Kotwalas tvirtina, kad šio darbo reikšmingumas dar tik pradedamas suvokti. „Bus tiriamas pats mokslas ir toliau apie tai galvosime,“ sako jis.

Alex Wilkins
www.newscientist.com

Žurnalo nuoroda:Science, DOI: 10.1126/science.abk1781