Группа ATLAS использовала данные, собранные при столкновениях протонных пучков на Большом адронном коллайдере в 2011 году, чтобы уточнить массу векторных W-бозонов, которые служат переносчиками слабого взаимодействия. Найденное учеными значение массы составляет примерно 80370 ± 19 мегаэлектронвольт. Статья опубликована в The European Physical Journal C.

Слабое взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий и одно из трех взаимодействий, входящих в Стандартную модель. Переносчиками слабого взаимодействия служат векторные бозоны — нейтральный бозон Z₀ и заряженные W⁺ и W⁻. Все три частицы представляют собой калибровочные бозоны одной и той же группы SU(2) и должны быть безмассовыми, однако приобретают массу благодаря механизму Хиггса (спонтанному нарушению симметрии). Из-за этого радиус слабого взаимодействия оказывается сильно ограничен — масса бозонов примерно равна 80–90 гигаэлектронвольт, что отвечает радиусу экранирования около 10⁻¹⁸ сантиметров. Впервые W- и Z-бозоны экспериментально открыли на ускорителе SPS в ЦЕРНе в 1983 году. Теоретическая же модель слабого взаимодействия (модель Глэшоу-Вайнберга-Салама) была разработана в конце 60-х годов и на данный момент входит в состав Стандартной модели элементарных частиц.

Один из тороидальных магнитов детектора ATLAS. Wikimedia Commons

В низшем порядке теории возмущений массу W-бозона можно выразить через массу Z-бозона, постоянную тонкой структуры и постоянную Ферми, причем массы положительного и отрицательного бозонов должны совпадать. Однако поправки более высоких порядков начинают зависеть от других калибровочных констант Стандартной модели, а также от массы более тяжелых частиц, например, t-кварка или бозона Хиггса. На данный момент массы всех этих частиц измерены сравнительно неточно (с погрешностью до 0,4 процента), что оставляет пространство для расширенных теорий, которые предсказывают отличия массы W-бозона от расчетов Стандартной модели. Текущее экспериментальное значение массы, полученное объединением результатов различных статей, составляет примерно mW = 80385 ± 15 мегаэлектронвольт, а теоретическое предсказание Стандартной модели — около m_W = 80360 ± 8 мегаэлектронвольт. Поэтому нужны новые эксперименты, которые уточнят значение массы и приведут его в соответствие с теорий (или укажут на существование «новой физики»).

В новой статье коллаборация ATLAS сообщает об измерении массы W-бозонов, образовавшихся при столкновениях пучков протонов на Большом адронном коллайдере в 2011 году и зарегистрированных детектором ATLAS. Энергия протонов в центре масс составляла примерно семь гигаэлектронвольт, суммарная светимость коллайдера за время эксперимента достигла 4,6 обратных фемтобарн. Что такое светимость, можно прочитать здесь (грубо говоря, эта величина описывает число столкновений частиц). Предварительно ученые откалибровали детектор по распадам Z-бозона на два лептона, используя сравнительно точно измеренное значение массы бозона (погрешность около 2 мегаэлектронвольт).

Для оценки массы частиц ученые использовали так называемые процессы Дрелла-Яна, в ходе которых W-бозон распадается на лептон (мюон или электрон) и нейтрино (мюонное или электронное, соответственно). Каждый из этих процессов происходит с вероятностью около десяти процентов; за время эксперимента физики зарегистрировали около 7,8×10⁶ кандидатов распада W → μ νμ и около 5,9×10⁶ кандидатов W → e ν_e. Это примерно на порядок больше числа распадов, зарегистрированных в предыдущих экспериментах.

Собственно, в эксперименте ученые измеряли сечение подобных процессов и смотрели, как оно зависит от поперечных импульсов лептонов и поперечной массы W-бозонов. Затем физики «подгоняли» величину массы W-бозонов так, чтобы теоретическая модель как можно лучше объясняла экспериментальные данные. В результате выяснилось, что массы положительного и отрицательного W-бозонов примерно равны — точнее, они могут отличаться не больше, чем на величину Δm = mW+ − mW− = −29 ± 28 мегаэлектронвольт. Поэтому ученые объединили данные по измерению массы обоих бозонов и получили величину mW = 80370 ± 7 ± 11 ± 14 = 80370 ± 19 мегаэлектронвольт. Здесь первая погрешность обусловлена ошибками «подгона» теории под эксперимент, вторая — систематической погрешностью эксперимента, а третья — неточностью теории (то есть погрешностями входящих в нее параметров).

Результаты разных экспериментов по измерению массы W-бозонов. Эксперимент ATLAS отвечает трем нижним значениям. ATLAS Collaboration / Eur. Phys. J. C

Подробнее про поиски новых частиц на Большом адронном коллайдере можно прочитать в подборке «Второй сезон Коллайдера». Например, материал «Рудник нолей и единиц» рассказывает, как ученые ищут нужные распады среди огромного числа регистрируемых детектором процессов, а в материале «Разрешите отклониться» приводится список отклонений от Стандартной модели, которые ученые успели найти на Большом коллайдере.

Автор: Дмитрий Трунин