Naukowcom udało się dokonać najdokładniejszych jak dotąd pomiarów masy bozonu W – cząstki elementarnej, która jest nośnikiem oddziaływania słabego, jednego z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych. Po dekadzie drobiazgowych analiz okazało się, że bozon W ma znacznie większą masę niż oczekiwano, co sugeruje, że Model Standardowy, jedna z najważniejszych teorii współczesnej fizyki, należy poprawić.
Model Standardowy to jedna z najważniejszych teorii we współczesnej fizyce. To ramy teoretyczne opisujące naturę na jej najbardziej podstawowym poziomie. Naukowcy używają go do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują.
Model zaczęto rozwijać jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku. Jednak naukowcy mają świadomość, że jest on ograniczony i chociaż jest naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem dla fizyki cząstek elementarnych, zawiera luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, chociażby grawitacji czy tego, z czego składa się ciemna materia lub dlaczego we Wszechświecie obserwujemy o wiele więcej materii niż antymaterii.
Naukowcy poszukują cząstek zachowujących się w inny sposób, niż można by się spodziewać po przewidywaniach Modelu Standardowego, aby móc wyjaśnić niektóre z tych tajemnic. Ostatnie ustalenia można wpisać w ten wysiłek.
Zespół fizyków z projektu CDF collaboration, działającym przy Fermi National Accelarator Laboratory (Fermilab) odkrył, że cząstka, znana jako bozon W, jest masywniejsza niż przewidywały teorie. Bozon W jest cząstką elementarną pośredniczącą w oddziaływania słabych. Odpowiada m.in. za procesy, które powodują, że słońce świeci, a cząstki ulegają rozpadowi. Z kolei oddziaływania słabe należą do czterech podstawowych oddziaływań fizycznych obok oddziaływań grawitacyjnych, elektromagnetycznych oraz silnych.
Od jego odkrycia w 1983 roku, w różnych eksperymentach ustalono, że bozon W waży aż 85 protonów. Ale jego dokładna masa była trudna do określenia. Wraz ze swoim kuzynem, bozonem Z, bozon W bierze udział w większości rodzajów reakcji jądrowych, w tym w syntezie, która zasila Słońce.
W eksperymentach w Fermilab masa bozonu W została oszacowana z najwyższą jak dotąd precyzją – dwukrotnie dokładniejszą niż poprzedni najlepszy pomiar. Naukowcy określili masę cząstki z dokładnością 0,01 proc. Po dekadzie analiz okazało się, że Bozon W jest cięższy niż określały to przewidywania teoretyczne. Chociaż różnica między przewidywaniami a wartością eksperymentalną wynosi tylko 0,09 proc., to jest ona istotna.
Po drobiazgowych analizach zespół obliczył masę bozonu W, która wynosi 80 433 megaelektronowoltów (MeV), z marginesem błędu wynoszącym zaledwie 9,4 MeV. Najlepsze przewidywania teoretyczne wyniosły 80 357 MeV z marginesem błędu wynoszącym 6 MeV.
W artykule opublikowanym na łamach pisma „Science” (DOI: 10.1126/science.abk1781) naukowcy opisują prawie dekadę analiz danych zebranych przez akcelerator cząstek Tevatron, działający w Fermilab w latach 1985-2011. W akceleratorze przez ten czas zderzano różne cząstki z zawrotnymi prędkościami w celu ich zbadania. Następnie, przez 10 lat ponad 400 naukowców analizowało zestaw danych obejmujący około 450 bilionów kolizji. Uczeni podczas pracy wzięli pod uwagę postęp w teoretycznym i eksperymentalnym zrozumieniu interakcji bozonu W z innymi cząstkami.
- Liczba poprawek i dodatkowych weryfikacji, które wpłynęły na nasz wynik, jest ogromna – powiedział profesor Ashutosh Kotwal z Duke University, który kierował zespołem wykonującym drobiazgowe obliczenia. - Kiedy w końcu ujawniliśmy rezultat, okazało się, że różni się on od przewidywań Modelu Standardowego - dodał.
Jeśli rezultaty analiz zostaną potwierdzone, może to być pierwsze poważne naruszenie standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych i będzie wskazywało na potencjalną potrzebę naniesienie poprawek do Modelu Standardowego lub jego poszerzenia. Nowa wartość jest zgodna z wieloma poprzednimi pomiarami mas bozonów W, ale są też pewne rozbieżności. Potrzebne będą dalsze badania, by rzucić więcej światła na uzyskany rezultat. - Chociaż jest to intrygujący wynik, pomiar musi zostać potwierdzony innym eksperymentem, zanim będzie można go w pełni zinterpretować – powiedział zastępca dyrektora Fermilab Joe Lykken.
- Nowy pomiar masy bozonu W jest najdokładniejszym pomiarem tej fundamentalnej wielkości w fizyce cząstek, jaki kiedykolwiek wykonano. Zapewnia bardzo rygorystyczny test Modelu Standardowego. To jedna z najbardziej udanych teorii w całej nauce. Przewiduje wartość masy bozonu W, motywując nas do wykonania równie precyzyjnego pomiaru w celu porównania i przetestowania tej teorii. Ale nasz pomiar znacznie różni się od teorii. Może to wskazywać na nieznaną zasadę działającą w przyrodzie – powiedział profesor Kotwal.
Należy zaznaczyć, że nie jest to pierwsza wskazówka dotycząca fizyki wykraczającej poza Model Standardowy. Jednak poziom precyzji tej pracy wykracza poza dotychczasowe badania. - Ten pomiar jest najbardziej znaczącym odchyleniem, jakie kiedykolwiek zaobserwowano od przewidywań Modelu Standardowego. Jest to nasza największa jak dotąd wskazówka, że nie do końca rozumiemy oddziaływania słabe lub wszystkie cząstki, które doświadczają tej siły. Ten pomiar wskazuje na ekscytujące nowe odkrycia w fizyce cząstek elementarnych w nadchodzących latach – wyjaśnił Kotwal.
Konsekwencje tego odkrycia nie zostały jeszcze w pełni zrozumiane. Możliwe jest po prostu dostosowanie standardowego modelu do nowego pomiaru. Albo możemy być świadkami początku zmiany paradygmatu, z nową fizyką na horyzoncie. Pierwszym kluczowym krokiem jest jednak uzyskanie niezależnego potwierdzenia. Teraz, gdy dane zostały w pełni przeanalizowane, naukowcy je analizujący będą współpracować z innymi członkami społeczności fizyki cząstek elementarnych, aby lepiej zrozumieć problem – co ten wynik może oznaczać i w którym kierunku podążać. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN również zbiera dane na temat bozonu W i być może uda się zbudować nowe eksperymenty.
Źródło: Fermi National Accelerator Laboratory, Nature, IFL Science, fot. Fermilab. Na zdjęciu akcelerator cząstek w Fermilab
