Заплахата за W бозона за Стандартния модел


Нов експериментален резултат разтърси света на физиката на елементарните частици. Оказва се, че W бозонът е много по-тежък, отколкото си мислехме. Това представлява предизвикателство за нашата най-успешна и изпитана теория за тъканта на Вселената досега: Стандартния модел. И докато този един експериментален резултат може да не е достатъчен сам по себе си, за да премахне теорията, той вече сочи в посоката на теория, която би могла, пише Мартин Бауер.

Наскоро масата на W бозона беше измерена от Collider Detector във Fermilab с безпрецедентна прецизност и изненадващ резултат. Неотдавнашният резултат е в противоречие с всички предишни измервания на масата на W бозона, но този резултат не е случайност. За да ви дадем представа за прецизността на това последно измерване и колко малко вероятно е този резултат да е грешка, помислете за следното: ако се претеглите няколко пъти с различни везни, бихте очаквали да видите някакво несъответствие. Но еквивалентно несъответствие като това между последното измерване и предишните измервания на масата на W бозона, статистически би настъпило само след като сте се претеглили 1 милиард пъти.




21 08 12.Намеци за нова фундаментална сила НОВО

Намеци за нова фундаментална сила
Прочетете още



Точното измерване на свойствата на W бозона е много важно. От синтез на звезди до въглеродно датиране, масата на W бозона влияе на много изчисления, които са в основата на нашето разбиране за Вселената. Например, нейната маса е свързана с живота на други частици, които от своя страна са важни за разбирането как се е развила Вселената след Големия взрив. Но може би най-важното следствие от това последно измерване на масата на W бозона е, че то го поставя в напрежение с нашата най-успешна теория за физиката на елементарните частици: Стандартния модел.

В този момент вероятно се чудите: Какво е W бозон, за какво е добър и какви са действителните последици от този изненадващ резултат?

W бозонът е фундаментална частица, медиираща слабата сила, сила, която никога не изпитваме директно, защото действа само на субатомни разстояния. Всички други известни фундаментални сили пораждат свързани системи: например слънчеви системи, свързани помежду си чрез гравитацията, атоми, свързани заедно с електромагнитната сила, и атомни ядра, свързани със силната сила. Слабата сила не поражда такива свързани системи, но е от решаващо значение за много природни явления, които засягат нашето ежедневие. Процесът на синтез на слънцето се инициира от преобразуването на водород в тежък водород чрез слабата сила. Без W бозона слънцето би било много слабо. Всички познати ни атоми са направени от протони, неутрони и електрони, но наоколо има много различни частици. Защо никога не създават атоми или по-сложни структури? Защото те бързо се разпадат поради слабата сила.

Това, което прави слабата сила толкова уникална, е фактът, че W бозонът може да промени зарядите на други частици, с които взаимодейства. Може да превърне електрон (заряд -1) в неутрино (заряд 0) или неутрон (заряд 0) в протон (заряд +1). Методи като въглеродно датиране директно разчитат на това свойство. Бавното разпадане на неутроните в протони във въглеродните изотопи ни позволява да датираме археологически артефакти и би било невъзможно без W бозона.

Измерването на масата на W бозона директно е изключително предизвикателство.

Дотолкова, че моите експериментални колеги го нарекоха „най-трудното измерване във физиката на високите енергии“. Има редица причини, които го правят толкова трудно:

Първо, W бозоните са много тежки за елементарните частици. Един W бозон тежи 80 пъти повече от протон. Ускорителите са единственото място в света, където огромната енергия може да бъде използвана за тяхното производство. Но след като бъдат произведени, W бозоните се разпадат незабавно и определянето на тяхната маса изисква измерване на продуктите на разпада и възстановяването им от тези измервания. За да се влошат нещата, колайдерите, които произвеждат W бозони, неизбежно произвеждат и стотици и стотици други частици. Да разберете дали е произведен W бозон и да направите измерване на неговата маса е по-скоро като да намерите свързващи части от пъзел в огромна кутия, пълна с тях и след това да ги сглобите правилно – а някои липсват и има повече от един начин, по който биха могли годни.

___

За разлика от много аномалии, които преди това са оспорвали статуса на Стандартния модел, статистически е почти невъзможно резултатът от CDF да бъде случайност.

___

Collider Detector във Fermilab (CDF) Collaboration направи това упражнение с набор от данни от четири милиона W бозони, събрани от 2002 до 2011 г. в колайдера Tevatron във Fermilab, на около час извън Чикаго. Претеглянето на W бозона отне съвместната работа над десетилетие, за да завърши. И резултатите са впечатляващи. CDF не само осигурява най-прецизното измерване на W масата при всяко постигнато, но техният резултат не е в съответствие с всички предишни измервания, поставяйки го в пряко напрежение с безброй експерименти, които потвърдиха най-успешната теория, която физиците с висока енергия някога са разработвали: Стандартният модел на физиката на елементарните частици. Не може да се надценява колко забележително е това: измерването на CDF се отклонява с по-малко от един на хиляда, но постигнатата прецизност е едно на десет хиляди!

Тази огромна прецизност е причината това измерване да привлече вниманието на физиците по целия свят. За разлика от много аномалии, които преди това са оспорвали статуса на Стандартния модел, статистически е почти невъзможно резултатът от CDF да бъде случайност. Но ако не е случайност, какво е тогава? Дали експериментаторите на CDF откриха първи признак на нова физика в своите данни?

___

Докато едно измерване рядко установява нова теория на физиката, то може да идентифицира структури, които биха могли да заменят прогнозата на стандартния модел.

___

След обявяването на CDF възниква двойно предизвикателство: в ход е цялостен анализ на всички инструменти и техники, приложени за извличане на W масата от планината от данни. Експерименталистите ще изследват отново и отново дали има някаква необмислена несигурност, някакво обяснение в процеса на измерване за това почти невъзможно несъответствие.

Междувременно физиците-теоретици задават въпроса за различен, по-спекулативен произход. Структурата на бозонните маси е предсказание на Стандартния модел. Тази структура е много твърда. Не е възможно просто да се промени масата на W бозона без промени в други наблюдаеми като разпад на тежки кварки и лептони, измерване на масата на Z бозона и различни други измервания, които потвърждават структурата на Стандартния модел отново и отново . Това е, освен ако няма нещо друго, което променя тази структура, нещо, което е пропуснато от други експерименти досега, нещо ново и неочаквано, проявяващо се в сблъсъците на ускорителя Tevatron.

___

Редица първоначални проучвания показват, че наличието на друг Хигс бозон или нови тежки частици, взаимодействащи с W бозона, както се предвижда в някои теории за тъмната материя, може да бъде отговорно за несъответствието.

___

Теоретиците ще разгледат внимателно изчисленията на стандартния модел. Ясно е, че ако измерването на CDF е валидно, стандартният модел вече няма да е достатъчен, за да обясни всички наши експериментални данни. И докато едно измерване рядко установява нова теория на физиката, то може да идентифицира структури, които биха могли да заменят прогнозата на Стандартния модел.

Редица първоначални проучвания показват, че наличието на друг Хигс бозон или нови тежки частици, взаимодействащи с W бозона, както се предвижда в някои теории за тъмната материя, може да бъде отговорно за несъответствието. Ако тези нови частици наистина изместят W масата, те също могат да бъдат произведени другаде. Водени от теоретични изследвания, данните от Големия адронен колайдер (LHC) в Cern ще бъдат разчесани за признаци на тези нови частици и резултатите ще стеснят възможните обяснения или ще дадат допълнителни намеци за естеството на основната физика. LHC се сблъсква протони с рекорд 7 пъти по-голяма от енергията на Tevatron, с която CDF взе техните данни. Току-що започна третото си изпълнение и се очаква да събере повече данни от първите два цикъла взети заедно.

Дори ако тези търсения се появят с празни ръце, в крайна сметка данните от LHC ще позволят еднакво или дори по-прецизно измерване на W масата и ще потвърдят или противоречат на измерването на CDF.

Сложността на „най-трудното измерване във физиката на високите енергии“ прави този пъзел много труден за решаване. Ще бъде с нас за известно време. Но ние, физиците, отдавна сме се отказали от вярата, че винаги можем да предвидим къде ще бъде открита нова физика. Твърде често сме били заслепени от неочаквани открития.

Ако можем да кажем нещо със сигурност в момента, то е, че продължаващото финансиране за фундаментални изследвания е необходимо. Отнеха десет години, за да се вземат данните и още десет години за анализа и ако бяхме намалили финансирането в даден момент, „най-трудното измерване във физиката на високите енергии“ никога нямаше да бъде завършено и какво ще научим от впечатляващото измерване на CDF щеше да остане заровено в данните.