Наука и образование

ATLAS оспаривает тяжесть W-бозонов

Эксперимент ATLAS, который проводился на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил, о результатах новых измерений массы W-бозонов. Результаты ATLAS находятся в согласии с предсказаниями Стандартной Модели (СМ), но противоречат результатам CDF, объявленным почти год назад.

Электрически заряженные W^±-бозоны отвечают за процессы превращений атомных ядер и элементарных частиц, протекающих под действием слабого взаимодействия. Именно их гигантская масса (m_W) делает слабое взаимодействие столь малоинтенсивным. Важно, что эта наблюдаемая не является фундаментальным параметром СМ, а может быть рассчитана, исходя из других параметров теории: ненулевого вакуумного среднего хиггсовского поля и безразмерной константы взаимодействия. СМ и совокупность экспериментальных данных (без привлечения экспериментальных сведений об m_W) позволяют определить массу W-бозона косвенным методом. Поэтому сравнение рассчитанной массы m_W с результатами её прямого экспериментального измерения представляет прекрасную возможность протестировать СМ.

В начале апреля 2022 года эксперимент CDF, проходивший в 2010-х годах на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон (лаборатория им. Э. Ферми) на основании накопленных экспериментальных данных, объявил о самом точном измерении массы W^±-бозонов. Объявленная точность измерения m_W была очень хорошая и составила всего 9 МэВ. При этом измеренное значение находилось в сильнейшем противоречии с предсказаниями СМ. Это сообщение вызвало широкую дискуссию в научных кругах и утвердило всех в мнении, что измерения массы W^±-бозонов необходимо продолжать.

На проходящей в эти дни конференции Rencontres de Moriond эксперимент ATLAS объявил результаты нового измерения m_W. Для нового физического анализа сотрудники ATLAS переобработали данные, набранные в 2011 году в протон-протонных взаимодействиях при энергии в системе центра масс сталкивающихся протонов 7 ТэВ. Исследователи использовали улучшенные статистические методы при обработке данных, что позволило им снизить неопределенность измерения m_W более чем на 15%. Коллаборация ATLAS сообщает, что масса W-бозона составляет 80360 МэВ с погрешностью всего 16 МэВ. Измеренное значение на 10 МэВ ниже предыдущего результата ATLAS и согласуется с предсказаниями СМ.

В новом анализе данных исследователи сосредоточились на канале распада W-бозона в лептоны (электрон или мюон) и соответствующее нейтрино. Масса W-бозона определялась путем подгонки кинематического распределения лептонов распада, полученного при моделировании к экспериментальному спектру. Основное отличие от предыдущего измерения, представленного в 2017 году, заключается в методе, используемом для выполнения этих подгонок. В то время как в предыдущем измерении доступные данные использовались исключительно для определения массы W-бозона с добавлением систематических неопределенностей постфактум, новое измерение одновременно корректирует систематические погрешности вместе со значением m_W. Это улучшение уменьшило несколько систематических неопределенностей, особенно тех, которые связаны с теоретическим моделированием рождения и распада бозона.

Оценить общую картину измерений m_W можно из рисунка. В настоящее время только измерение CDF противоречит предсказаниям СМ. При этом следует подчеркнуть, что предсказания СМ также основаны на экспериментальных измерениях констант этой теории.

В ближайшем будущем новые результаты измерений массы m_W ожидаются и от других экспериментов БАК. Эксперимент ATLAS также продолжит это направление исследований. При этом будут использованы экспериментальные данные, накопленные при разных энергиях столкновений протонов. Они обеспечат независимую оценку экспериментальных результатов, полученных к настоящему времени.