В новом исследовании, проведенном на БАКе, физикам удалось определить точную ширину W-бозона, фундаментальной частицы, участвующей в слабых взаимодействиях в природе.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году ознаменовало значительный прогресс в нашем понимании фундаментальной физики, заполнив важнейший пробел в Стандартной модели. Однако этот прорыв оставил после себя постоянные вопросы: что лежит за пределами этой устоявшейся структуры? Где находятся новые явления, способные раскрыть оставшиеся тайны Вселенной, такие как природа темной материи и происхождение асимметрии материи и антиматерии?
Для изучения этих вопросов исследователи обращаются к другим фундаментальным частицам, таким как W-бозон, участвующий в слабых ядерных взаимодействиях, которые представляют собой одну из четырех фундаментальных сил природы. Эти взаимодействия отвечают за такие процессы, как бета-распад атомных ядер. Более конкретно, роль этого бозона заключается в переносе слабых сил, что позволяет ему влиять на распады частиц.
Изучение ширины W-бозона имеет особое значение. Это измерение — важнейший параметр, который может дать подсказки о новых физических явлениях, выходящих за рамки Стандартной модели.
В рамках исследования коллаборация ATLAS провела новое измерение ширины W-бозона на БАКе, используя данные протон-протонных столкновений. Отметим, что ширина частицы напрямую связана с ее временем жизни и предсказывает способ ее распада на другие частицы. Поэтому любое значительное отклонение от оценок может указывать на наличие необъяснимых явлений.
Поясним, когда W-бозон распадается, он превращается в другие частицы, в частности в электроны или мюоны, а также в нейтрино. Все они обладают определенным импульсом или энергией, которые могут быть измерены и проанализированы детекторами. Внимательно изучая эти кинематические свойства, исследователи могут реконструировать характеристики распада W-бозона, что позволяет определить естественную ширину этого распада, то есть диапазон возможных импульсов испускаемых частиц.
Сравнив экспериментальное измерение ширины W-бозона с теоретическими предсказаниями, основанными на Стандартной модели, ученые смогут оценить, есть ли между ними существенные расхождения. Если это так, то в конечном итоге это может свидетельствовать о наличии новых частиц или новых взаимодействий.
Используя этот подход, исследователи получили новое измерение 2 202 ± 47 МэВ. Это самое точное измерение, когда-либо сделанное в ходе эксперимента. Хотя оно немного превышает значение, предсказанное стандартной моделью (с точностью до 2,5 стандартных отклонений), оно остается согласованным с ней на статистически значимом уровне.
Параллельно ATLAS также измерил массу W-бозона, которая теперь оценивается в 80 367 ± 16 МэВ, обеспечив точное обновление этой фундаментальной величины. И в этом случае полученные результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели, укрепляя надежность этой хорошо зарекомендовавшей себя теории. Однако эти достижения — лишь первые в серии предстоящих измерений. Будущие анализы с использованием больших наборов данных должны позволить еще больше уменьшить статистические и экспериментальные неопределенности.