Co nám říká nové nejpřesnější měření hmotnosti W bosonu?  
Detailní analýza všech dat získaných experimentem CDF, který využíval urychlovač Tevatron ve Fermilabu, poskytl dosud nejpřesnější hodnotu hmotnosti W bosonu. Získaná hmotnost se liší od současné předpovědi Standardního modelu hmoty a interakcí. Pokud se rozdíl potvrdí, půjde o zajímavý průhled do exotické fyziky za ním.

Experiment CDF pracoval na urychlovači Tevatron (zdroj CDF).
Experiment CDF pracoval na urychlovači Tevatron (zdroj CDF).
Od doby, kdy byl uzavřen urychlovač Tevatron ve Fermilabu ve Spojených státech, uplynulo už více než 11 let. Přesto i teď se dokončují některé analýzy dat získaných v době jeho provozu. Zvláště se to týká velice přesného určování hmotností a dob života částic. Problémem je, že v těchto případech je potřeba co nejdetailněji analyzovat všechny vlastnosti a nedostatky daného zařízení a co nejpřesněji určit nejistoty určení dané veličiny, které jsou s nimi spojeny. Zvláště se to týká parametrů takových částic, jako je třeba W boson, které mají značný počet i poměrně složitých kanálů rozpadu.

V současné době tak fyzikové pracující na experimentu CDF publikovali komplexní analýzu všech dat získaných v letech 1985 až 2011 o rozpadech W bosonu. Jde o částici, která je spojena se slabou interakcí a její hmotnost je zhruba 80 GeV/c2, je tedy více než osmdesátkrát těžší než proton.

 

První hodnota hmotnosti W bosonu získaná tímto experimentem byla publikována již v roce 2012. Současná analýza je na větší statistice, a právě velice pečlivým rozborem zdrojů nejistot, pochopením vlivu všech nuancí komplexního experimentálního zařízení a vylepšením metodiky analýzy s daleko lepší kalibrací všech detekčních systémů se podařilo dramaticky zvýšit přesnost. Nově určená hodnota je 80,434 GeV/c2 s nejistotou pouze 0,009 GeV/c2.

 

Tuto hodnotu lze srovnat s předchozími měřeními z experimentů na urychlovačích LEP v laboratoři CERN, Tevatron ve Fermilabu i současnými měřeními experimentů na urychlovači LHC. Zároveň je však možné ji srovnat s teoretickou hodnotou získanou ze současné teorie struktury hmoty, kterou je Standardní model hmoty a interakcí. Podrobnější rozbor této teorie a částic, které s v ní vyskytují, je v dřívějším přehledovém článku na Oslovi.

Pokud se objeví rozdíl mezi hmotností pozorovanou v experimentu a zjištěnou ze Standardního modelu, byla by to známka vlivu nové exotické fyziky. Standardní model by k popisu této hmotnosti nestačil a musela by se využít komplexnější teorie, která jej obsahuje a přesahuje. A právě velikost tohoto rozdílu by nám o této nové teorii ledacos naznačila.

Hodnota hmotnosti, která ze Standardního modelu vychází, je 80,357 GeV/c2 s nejistotou pouze 0,006 GeV/c2. Je tak vidět, že se experimentální a modelová hodnota opravdu liší a rozdíl přesahuje odhadnuté nejistoty. Takže by se zdálo, že je vše jasné.

 

Bohužel tomu však není. Když se podíváme na předchozí měřené hmotnosti W bosonu, tak právě dvě nejpřesnější se od nově získané hodnoty liší a odpovídají spíše právě předpovědi Standardního modelu. První získal experiment D0 využívající také urychlovač Tevatron a druhou pak experiment ATLAS pracující na urychlovači LHC. Jejich deklarovaná nejistota je sice větší, než je tomu u nové hodnoty experimentu CDF, ale přesto dostatečně malá.

 

 

Přehled dosavadních výsledků měření hmotnosti W bosonu. Rozmazanou šedou linií je zobrazena předpověď Standardního modelu. (Zdroj Science, vol 376, No. 6589).

 

Rozpor mezi těmito hodnotami bude potřeba vysvětlit novými reanalýzami dat, které by v některém z nich našly problém a chybu. Nebo je možné jej vyřešit novým přesnějším experimentálním měřením. Jednou z možností je detailní analýza dat již získaných experimenty na urychlovači LHC. Ty začaly pracovat a získávat data těsně před koncem činnosti urychlovač Tevatron. Zatím tak jejich týmy neměly dost času na podobně komplexní a detailní analýzu a poznání svých experimentálních sestav, jak se to povedlo u dat experimentu CDF. Další možností je vysoká statistika, která se nahromadí při třetím běhu experimentování na urychlovači LHC, který se rozbíhá právě nyní.

 

Je také třeba připomenout, že i hodnota hmotnosti W bosonu získaná ze Standardního modelu má své nejistoty. Jako volné parametry, které je třeba určit z experimentu do něj vstupují hmotnosti t kvarku, Z bosonu a Higgsova bosonu. A i jejich přesnost měření má svou nejistotu, a ty má i samotný výpočet hmotnosti W bosonu v jeho rámci. Je tak jasné, že pozorovaný rozdíl mezi novým měřením experimentu CDF a Standardním modelem je sice zajímavým náznakem, ale bez vyřešení zmíněných problémů je třeba k němu přistupovat opatrně. Ovšem tím více je možné se těšit na nová data získaná v třetím běhu experimentu LHC. Ten bude díky vyšší energii a intenzitě svazku opravdu nástrojem pro opravdu masivní produkci obrovského počtu W bosonů. Přehled vylepšení urychlovače LHC před třetím během experimentování a dosavadní výsledky jsou popsány v nedávném článku na Oslovi.

Datum: 07.04.2022
Tisk článku

Související články:

Co čeká částicovou fyziku v příštích 50 letech?     Autor: Anatolij Sidorin (19.02.2021)
Magnetka mionu míří k nové fyzice     Autor: Vladimír Wagner (08.04.2021)
Největší narušení kombinované CP symetrie     Autor: Vladimír Wagner (02.04.2022)



Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán

Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace