Rezultatai atitinka teoriją: CERN ir MIT tyrėjai išsklaidė abejones dėl W bozono masės
Elementariųjų dalelių fizikoje net menkiausias nuokrypis nuo prognozių gali reikšti lūžį mūsų Visatos supratime. Jei viena iš pamatinių materijos „plytų“ pasirodytų esanti sunkesnė ar lengvesnė, nei numato teorijos, tektų iš naujo perrašyti vadovėlius. Naujausios žinios iš Europos branduolinių mokslinių tyrimų organizacijos (CERN) kol kas ramina: tarptautinė fizikų komanda, tarp jų ir „Massachusetts Institute of Technology“ (MIT) ekspertai, pristatė ypač tikslų W bozono masės matavimą.
W bozonas – viena svarbiausių dalelių Modelyje standartiniame, aprašančiame fundamentaliąsias daleles ir jėgas, valdančias kosmosą. Ši dalelė yra silpnosios sąveikos nešėja – vienos iš keturių pagrindinių gamtos jėgų (greta gravitacijos, elektromagnetinės ir stipriosios sąveikos). Būtent silpnoji sąveika leidžia vykti dalelių virsmams, pavyzdžiui, protonams virsti neutronais ir atvirkščiai.
Šie procesai yra itin svarbūs Visatai tokiai, kokią ją pažįstame: jie lemia radioaktyvųjį skilimą ir, kas ypač reikšminga, palaiko branduolinę sintezę Saulės gelmėse. Be W bozono mūsų žvaigždė negalėtų gaminti energijos, o elementai, būtini planetoms ir gyvybei, nebūtų susiformavę. Todėl fizikai itin daug dėmesio skiria tikslioms šios dalelės savybėms, ypač masei.
Kontroversija, kuri galėjo supurtyti fiziką
Susidomėjimas W bozono mase smarkiai išaugo 2022 metais, kai JAV „Fermilab“ laboratorijoje vykdyto CDF eksperimento komanda paskelbė rezultatą, rodžiusį, kad dalelė yra gerokai sunkesnė, nei numato Modelis standartinis. Nors skirtumas kasdienėje skalėje atrodytų menkas, kvantinės fizikos pasaulyje tai prilygo žemės drebėjimui: tokia anomalija galėjo reikšti „naują fiziką“ – iki šiol nežinomas daleles ar jėgas, darančias įtaką W bozono masei.
Toks rezultatas privertė mokslo bendruomenę ieškoti nepriklausomo, ne mažiau tikslaus patikrinimo. Šios užduoties ėmėsi komanda, dirbanti su CMS (Compact Muon Solenoid) detektoriumi Didžiajame hadronų greitintuve (LHC).
Milijardų susidūrimų analizė
Naujas matavimas, publikuotas žurnale „Nature“, yra daugiau nei dešimtmetį trukusio darbo rezultatas: prie jo prisidėjo per 3000 mokslininkų iš viso pasaulio. Fizininkai analizavo 2016 metais LHC viduje įvykusių protonų susidūrimų duomenis. LHC protonus įgreitina iki greičių, artimų šviesos greičiui, o susidūrimai sukuria daugybę naujų dalelių – tarp jų retais atvejais susidaro ir W bozonas.
W bozoną „pagauti“ itin sudėtinga, nes jis egzistuoja neįtikėtinai trumpai – maždaug 10^-24 sekundės – ir tuoj pat skyla į kitas daleles. CMS tyrime daugiausia dėmesio skirta atvejams, kai W bozonas skyla į miuoną ir neutriną. Miounas detektoriuje palieka aiškų pėdsaką, o neutrinas beveik neaptinkamas, todėl mokslininkams teko itin tiksliai išmatuoti miuono savybes ir pagal jas atkurti „motininės“ dalelės – W bozono – masę.
Rezultatas, grąžinantis aiškumą
Atlikę sudėtingas kompiuterines simuliacijas, apėmusias apie 4 mlrd. susidūrimų scenarijų, mokslininkai paskelbė galutinį rezultatą: W bozono masė yra 80 360,2 ± 9,9 MeV. Tai tiksliausias W bozono masės matavimas, kada nors atliktas naudojant LHC.
Svarbiausia, kad šis rezultatas visiškai sutampa su Modelio standartinio prognozėmis. Nauji duomenys leidžia manyti, jog ankstesnė „Fermilab“ anomalija galėjo atsirasti dėl subtilių sisteminių paklaidų ar nevisiškai tikslių statistinių modelių, o ne dėl fundamentalių gamtos dėsnių lūžio. Daugybei fizikų tai buvo palengvėjimas: nors Modelis standartinis nėra „visko teorija“ (jis nepaaiškina, pavyzdžiui, tamsiosios materijos ar gravitacijos), dar kartą paaiškėjo, kad jis ypač tvirtai aprašo stebimą realybę.
Kas toliau CERN tyrimuose?
Nors naujasis matavimas tarsi „išgelbėjo“ Modelį standartinį, mokslininkai neketina sustoti. MIT tyrėjai pabrėžia, kad teorijų patvirtinimas yra svarbus, tačiau tai nėra kelio pabaiga. Jau planuojamos naujos analizės, kurios pasitelks vėlesniais LHC veiklos metais sukauptus duomenis ir leis dar labiau sumažinti paklaidos ribas.
W bozono tyrimai išlieka itin reikšmingi, nes jo masės tikslinimas padeda geriau suprasti ryšius tarp elementariųjų dalelių – pavyzdžiui, Higgso bozono ar viršutinio kvarko (top). Elementariųjų dalelių fizika primena milžinišką dėlionę: kiekvienas tikslus matavimas, toks kaip CMS komandos pasiektas, daro Visatos paveikslą aiškesnį, net jei didysis lūžis už žinomų ribų kol kas dar nematomas.
