14 апреля 2022

Учёные Петербургского института ядерной физики приняли участие в международном эксперименте по физике элементарных частиц

Ранее сообщалось, что эксперименты по измерению массы элементарной частицы W-бозона поставили под сомнение господствующую в физике стандартную модель элементарных частиц.  Петербургский институт ядерной физики, учёные которого принимали участие в этих международных экспериментах, рассказали определённые подробности этих исследований.

Эксперимент CDF, который проводился на коллайдере Теватрон, объявил, что ему удалось провести измерение массы W бозонов с рекордной точностью. Результаты измерений находятся в противоречии как с предсказаниями Стандартной Модели, так и с результатами предыдущих измерений.

Электрически заряженные W±-бозоны – частицы-переносчики слабого взаимодействия. Они отвечают за β-радиоактивность атомных ядер, за распады адронов, протекающих с изменением кваркового аромата, а также за переходы в лептонном секторе, например, распад мюона. Именно гигантская (по сравнению с адронами и лептонами) масса W± делает слабое взаимодействие столь малоинтенсивным.

Тут следует сделать отступление и пояснить, что в Стандартной Модели (СМ) физики частиц само понятие массы до некоторой степени многолико. Конечно, масса частицы или системы частиц выступает «связующим звеном» между её энергией и импульсом: m= E2 + p2. Однако, природа понятия масса частицы многогранна. Например, для кварков и заряженных лептонов их массы – параметры СМ, фактически в теории это лишь экспериментально измеренный коэффициент пропорциональности взаимодействия фермионных полей и скалярного хиггсовского поля. Для нуклонов их основная «тяжесть» возникает за счет силового глюонного поля взаимодействующих кварков, образующих адрон, а не за счет массы самих кварков. А вот для калибровочных W±- и Z-бозонов масса, возникающая при взаимодействии бозонных полей с полем Хиггса, – величина, которая может быть рассчитана, исходя из остальных параметров СМ! При этом масса W±- и Z-бозонов может быть измерена в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Таким образом возникает возможность проверить предсказания СМ.

В начале апреля этого года эксперимент CDF, проводившийся в 2010-х годах на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон (лаборатория им. Э. Ферми) и в настоящее время заканчивающий обработку накопленных экспериментальных данных, объявил о самом точном измерении массы W±- бозонов±объявил о самом точном измерении массы W±- бозонов. Эксперимент заявил, что масса, полученная в результате анализа данных, составляет 80433,5 ± 6,4стат. ± 6,9сист. МэВ. Это находится в сильнейшем противоречии с предсказаниями СМ, а также с результатами других измерений (с меньшей заявленной точностью). Подробнее со сложившейся ситуацией можно ознакомиться на рисунке 1. Стоит пояснить, что каждое предыдущее измерение находится в согласии с результатами CDF, но общая картина явно свидетельствует о расхождении.

Новый результат вызвал широкое обсуждение в научном сообществе. Звучат мнения, что прежде, чем «поднимать на флаг» расхождения новых результатов с предсказаниями СМ, нужно тщательно разобраться, правильно ли учтены систематические неопределенности измерения, а также понять, в чем причина расхождений между новым результатом и предыдущими. Это очень серьезная и сложная задача!

В заключение следует отметить, что эксперименты, проводящиеся на Большом адронном коллайдере, интенсивно работают над тем, чтобы улучшить точность своих измерений. Значит, в будущем мы сможем понять, действительно ли результат CDF – это проявление чего-то нового, неизвестного, выходящего за рамки современных представлений