Eksperyment CMS, będący znaczącym osiągnięciem naukowym, w niezwykły sposób zweryfikował masę bozonu W dokładnośćdoskonale pokrywając się z prognozami Modelu Standardowego.
Wykorzystując dane z milionów zderzeń cząstek i zaawansowane techniki analityczne, badania te stanowią kamień milowy w zrozumieniu podstawowych składników Wszechświata.
Przełom w fizyce cząstek
W 2022 roku Collider Detector w eksperymencie Fermilab (CDF) dokonał nieoczekiwanego pomiaru bozon Wjedna z cząstek natury przenoszących siłę. Teraz fizycy biorący udział w eksperymencie Compact Mion Solenoid w Wielkim Zderzaczu Hadronów ogłosili nowy pomiar masy bozonu W.
Ten nowy pomiar, będący pierwszym w eksperymencie CMS, wykorzystuje nową technikę, co czyni go najbardziej skomplikowanym jak dotąd badaniem masy bozonu W. Po prawie dziesięciu latach analiz CMS odkrył, że masa bozonu W jest zgodna z przewidywaniami, co ostatecznie uchyla wieloletnią tajemnicę.
Precyzja i współpraca usprawniają badanie W Boson
W ostatecznej analizie wykorzystano 300 milionów zdarzeń zebranych podczas uruchomienia LHC w 2016 r. oraz 4 miliardy symulowanych zdarzeń. Na podstawie tego zbioru danych zespół zrekonstruował, a następnie zmierzył masę ponad 100 milionów bozonów W. Odkryli, że masa bozonu W wynosi 80 360,2 ± 9,9 megaelektronowoltów (MeV), co jest zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego wynoszącymi 80 357 ± 6 MeV. Przeprowadzili także osobną analizę, w której weryfikowano założenia teoretyczne.
„Nowy wynik CMS jest wyjątkowy ze względu na jego precyzję i sposób, w jaki określiliśmy niepewności” – powiedziała Patty McBride, wybitna naukowiec z Narodowego Laboratorium Badawczego Fermi Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i była rzeczniczka CMS. „Wiele nauczyliśmy się z CDF i innych eksperymentów, które pomogły w rozwiązaniu problemu masy bozonu W. Stoimy na ich ramionach i jest to jeden z powodów, dla których możemy poczynić duże postępy w tym badaniu”.
Odsłonięcie równowagi subatomowej Wszechświata
Od odkrycia bozonu W w 1983 roku fizycy mierzyli jego masę w 10 różnych eksperymentach.
Bozon W jest jednym z kamieni węgielnych Modelu Standardowego, ram teoretycznych opisujących przyrodę na jej najbardziej podstawowym poziomie. Dokładne zrozumienie masy bozonu W umożliwia naukowcom mapowanie wzajemnego oddziaływania cząstek i sił, w tym siły pola Higgsa i łączenia elektromagnetyzmu z oddziaływaniem słabym, które jest odpowiedzialne za rozpad radioaktywny.
„Cały wszechświat wymaga delikatnej równowagi” – powiedziała Anadi Canepa, zastępca rzecznika eksperymentu CMS i starszy naukowiec w Fermilab. „Jeśli masa W różni się od oczekiwanej, w grę mogą wchodzić nowe cząstki lub siły”.
Źródło: Saskia Theresa Rodriguez, CERN
Postęp w technikach pomiarowych
Nowy pomiar CMS ma dokładność 0,01%. Ten poziom precyzji odpowiada pomiarowi ołówka o długości 4 cali w zakresie od 3,9996 do 4,0004 cala. Jednak w przeciwieństwie do ołówków bozon W jest cząstką elementarną, która nie ma żadnej objętości fizycznej i ma masę mniejszą niż jedność atom ze srebra.
„Ten pomiar jest niezwykle trudny do wykonania” – dodał Canepa. „Potrzebujemy wielu pomiarów z wielu eksperymentów, aby sprawdzić wartość”.
Zwiększanie precyzji w wykrywaniu cząstek podstawowych
Eksperyment CMS różni się od innych eksperymentów, w ramach których dokonano tego pomiaru, ze względu na jego zwartą konstrukcję, wyspecjalizowane czujniki cząstek podstawowych zwanych mionami i niezwykle silny magnes elektromagnetyczny, który zakrzywia trajektorie naładowanych cząstek podczas ich przemieszczania się przez detektor.
„Konstrukcja CMS sprawia, że szczególnie dobrze nadaje się do precyzyjnych pomiarów masy” – powiedział McBride. „To eksperyment nowej generacji”.
Wyzwania i innowacje w pomiarze cząstek
Ponieważ większość cząstek elementarnych żyje niewiarygodnie krótko, naukowcy mierzą ich masy, dodając masy i pędy wszystkiego, na co się rozpadają. Metoda ta sprawdza się dobrze w przypadku cząstek takich jak bozon Z, kuzyn bozonu W, który rozpada się na dwa miony. Jednak bozon W stanowi duże wyzwanie, ponieważ jednym z produktów jego rozpadu jest maleńka cząstka elementarna zwana neutrinem.
„Neutrina są niezwykle trudne do zmierzenia” – powiedział Josh Bendavid, naukowiec z Massachusetts Institute of Technology, który pracował nad tą analizą. „W eksperymentach ze zderzaczem neutrino pozostaje niewykryte, więc możemy pracować tylko z połową obrazu”.
Praca z połową obrazu oznacza, że fizycy muszą wykazać się kreatywnością. Przed przeprowadzeniem analizy na rzeczywistych danych eksperymentalnych naukowcy najpierw przeprowadzili symulację miliardów zderzeń w LHC.
„W niektórych przypadkach musieliśmy nawet modelować małe odkształcenia w detektorze” – powiedział Bendavid. „Precyzja jest na tyle wysoka, że zwracamy uwagę na małe skręcenia i zagięcia; nawet jeśli są tak małe jak szerokość ludzkiego włosa.
Sztuka i nauka eksperymentów zderzających
Fizycy potrzebują także wielu danych teoretycznych, np. tego, co dzieje się wewnątrz protonów podczas zderzeń, w jaki sposób powstaje bozon W i jak się on porusza przed rozpadem.
„Odkrycie wpływu danych teoretycznych to prawdziwa sztuka” – powiedział McBride.
Długoterminowe zaangażowanie w badania nad fizyką cząstek
W przeszłości fizycy używali bozonu Z jako zamiennika bozonu W podczas kalibracji swoich modeli teoretycznych. Chociaż metoda ta ma wiele zalet, dodaje ona również do procesu warstwę niepewności.
„Bozony Z i W to rodzeństwo, ale nie bliźnięta” – powiedziała Elisabetta Manca, badaczka z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i jedna z analizatorów. „Fizycy muszą przyjąć kilka założeń podczas ekstrapolacji od Z do W, a założenia te są wciąż przedmiotem dyskusji”.
Aby zmniejszyć tę niepewność, badacze z projektu CMS opracowali nowatorską technikę analizy, która wykorzystuje wyłącznie rzeczywiste dane dotyczące bozonu W w celu ograniczenia danych teoretycznych.
„Udało nam się tego skutecznie dokonać dzięki połączeniu większego zbioru danych, doświadczenia zdobytego podczas wcześniejszych badań bozonu W i najnowszych osiągnięć teoretycznych” – powiedział Bendavid. „To pozwoliło nam uwolnić się od bozonu Z jako naszego punktu odniesienia”.
W ramach tej analizy zbadali także 100 milionów śladów rozpadów dobrze znanych cząstek, aby ponownie skalibrować masywną sekcję detektora CMS, aż uzyskano o rząd wielkości większą dokładność.
„Ten nowy poziom precyzji pozwoli nam wykonywać krytyczne pomiary, takie jak te dotyczące bozonów W, Z i Higgsa, z większą dokładnością” – powiedział Manca.
Najbardziej wymagającą częścią analizy była jej czasochłonność, ponieważ wymagała stworzenia nowatorskiej techniki analizy i opracowania niezwykle głębokiego zrozumienia detektora CMS.
„Rozpoczęłam te badania jako studentka w czasie wakacji, a teraz jestem na trzecim roku postdoktoratu” – powiedziała Manca. „To maraton, a nie sprint”.
Odniesienie: „Pomiar masy bozonu W w zderzeniach proton-proton przy √s= 13 TeV” przez CMS Collaboration
17 września 2024 r.
Eksperyment Compact Muon Solenoid (CMS) jest częściowo finansowany przez Biuro Naukowe Departamentu Energii i Narodową Fundację Nauki. Jest to jeden z dwóch dużych eksperymentów ogólnego przeznaczenia prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) przy ul CERNEuropejskie Laboratorium Fizyki Cząstek.
Fermilab jest laboratorium goszczącym w USA, które ułatwia udział setkom fizyków USCMS z ponad 50 grup uniwersyteckich i odgrywa wiodącą rolę w budowie i działaniu detektorów, obliczeniach i oprogramowaniu oraz analizie danych.
