Большой адронный коллайдер положил конец лихорадке W-бозона. «Придётся искать новую физику в другом месте», — говорит один из исследователей.

Масса частицы W-бозона, обнаруженная на Большом адронном коллайдере, точно соответствует Стандартной модели физики частиц, что противоречит предыдущим результатам, полученным в Фермилабе, которые намекали на другую массу и, следовательно, на потенциальное существование новой физики.

Хотя это открытие ещё больше укрепило Стандартную модель в качестве наилучшего представления о мире частиц, учёные надеялись, что их модель на самом деле ошибочна, и что расхождение в массе W-бозона может указать путь к новым теориям, которые могли бы объяснить такие загадки, как суть тёмной материи, составляющей по современным представлениям около 85% всей материи во Вселенной, но остающейся фактически невидимой для нас.

Бозоны — это фундаментальные частицы, переносящие силы природы. Сильное взаимодействие, связывающее кварки внутри протонов и нейтронов, переносится бозоном, называемым глюоном, бозон электромагнитного взаимодействия — фотон, а слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад, работает при помощи трёх бозонов: W+, W- и Z-бозон.

Измерить массу этих частиц непросто, ведь они существуют невероятно мало, прежде чем распасться на другие частицы. Поэтому, приложив максимум усилий, физики сначала создают бозоны, сталкивая пучки протонов, летящих почти со скоростью света, внутри ускорителя частиц. Например, на БАКе протоны сталкиваются с общей энергией 13 триллионов электронвольт (эВ). При столкновении протоны распадаются на другие частицы, некоторые из которых являются бозонами (именно так на Большом адронном коллайдере был открыт бозон Хиггса, ответственный за поле Хиггса, придающее частицам массу). Сами бозоны затем также распадаются, и лучший способ измерить их массу — это сложить массы всех частиц, которые образуются в результате распада бозонов.

Бозоны распадаются на частицы, называемые лептонами (или антилептонами), которые представляют собой электроны, мюоны или тау-частицы (лептон определяется полуцелым спином, то есть 1/2 или 3/2). Z-бозон распадается на две другие частицы, называемые мюонами, которые относительно легко измерить. Именно поэтому масса Z-бозона хорошо известна: она составляет 91 187,6 МэВ с погрешностью ± 2,1 МэВ (миллион эВ).

Бозоны W+ и W-, однако, распадаются на лептон (или антилептон) плюс нейтрино, и именно здесь кроется проблема.

Нейтрино — это очень слабые, неуловимые частицы, которые проносятся через детекторы как призраки. Триллионы нейтрино проносятся даже через ваше тело прямо сейчас, но вы не можете это почувствовать. Вот почему для их обнаружения нужен кубический километр льда, усыпанный фотоэлектронными умножителями, и находящийся в нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе. Большой адронный коллайдер тоже может обнаруживать нейтрино, но эта возможность появилась у него совсем недавно благодаря двум детекторам — FASER (Forward Search Experiment) и SND (Детектор рассеяния и нейтрино). БАК объявил о своих первых обнаружениях нейтрино в августе 2023 года.

Стандартная модель предсказывает, что масса бозонов W+ и W- составляет 80 357 МэВ, ± 6 МэВ, на основе теории, объединяющей электромагнитную силу со слабой силой, называемой «электрослабой теорией». Однако в 2022 году физики, повторно проанализировавшие старые данные 2011 года (полученные на ускорителе частиц Теватрон в Фермилабе, штат Иллинойс, США), определили массу W-бозона, равную 80 433 МэВ, ± 9 МэВ. Это выводило массу W-бозона из диапазона Стандартной модели. Если это было верно, то это означало появление новых физических явлений, таких как «суперсимметрия» (которая предполагает, что каждая частица в Стандартной модели имеет дополнительный, гораздо более массивный аналог) и квантовая петлевая гравитация (которая описывает, что ткань Вселенной может состоять из крошечных квантовых петель). В результате мир физики пришёл в восторг от открывающихся возможностей.

Увы, этому не суждено было сбыться.

В 2023 году эксперимент ATLAS на БАКе измерил массу W-бозона как 80 360 МэВ ± 16 МэВ, что действительно согласуется со Стандартной моделью, но, учитывая дразнящие выводы Фермилаба, возникло опасение, что ATLAS имеет какую-то непризнанную систематическую ошибку, влияющую на его измерения.

Однако новые измерения массы W-бозона, проведённые экспериментом CMS (Compact Muon Solenoid) на БАКе, также согласуются со Стандартной моделью и дают массу 80 360,2 ± 9,9 МэВ. Это соответствует всего лишь 1,42 x 10^-25 килограммам.

«По сути, мы использовали весы в 14 000 тонн для измерения массы частицы, которая имеет массу 1 x 10^-25 кг, что примерно в 80 раз больше массы протона», — сказал в своём заявлении физик Михалис Бахтис из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Многие физики, конечно, надеялись, что будет доказано расхождение в массе W-бозона, поскольку это открыло бы дверь для новой физики, которая должна была бы объяснить это расхождение в массе. Если взять в качестве примера суперсимметрию, то эта концепция может указать путь к объяснению тёмной материи. Ведущим кандидатом на тёмную материю сейчас является тип частиц, называемый WIMP, что означает Weakly Interacting Massive Particle — массивная, слабо взаимодействующая частица идеально вписывается в рамки суперсимметрии. Увы, в настоящее время ещё не найдены суперсимметричные партнёры частиц Стандартной модели, а теория суперсимметрии далека от доказательств.

«Все надеялись, что мы измерим её в отрыве от теории и тем самым зародим надежды на новую физику», — говорит Бахтис. «Подтвердив, что масса W-бозона согласуется с теорией, мы вынуждены искать новую физику в другом месте, возможно, изучая бозон Хиггса с высокой точностью».

Тем не менее, подтверждение массы W-бозона открывает двери для других вещей. Например, можно использовать это измерение массы, чтобы лучше оценить силу поля Хиггса или лучше понять электрослабую теорию. Эти достижения возможны благодаря тому, как CMS измерил массу W-бозона: путём калибровки энергии испущенных мюонов с погрешностью всего 0,01%, что на порядки точнее, чем считалось ранее.

«Этот новый уровень точности позволит нам проводить критические измерения, такие как измерения W, Z и бозона Хиггса, с повышенной точностью», — говорит аспирантка Элизабетта Манка, которая работает над этим проектом вместе с Бахтисом уже 8 лет.

Итак, Стандартная модель снова побеждает — но с ростом числа космологических загадок, таких как тёмная материя, тёмная энергия и даже Хаббловское натяжение, что-то в нашем понимании физики должно в какой-то момент сломаться, чтобы осветить путь вперёд для мира физики.