(Konverzácia je nezávislý, neziskový zdroj správ, analýz a komentárov od akademických odborníkov.)
(KONVERZÁCIA) „Môžete to urobiť rýchlo, môžete to urobiť lacno alebo to môžete urobiť správne. Urobili sme to dobre. Toto boli niektoré z úvodných poznámok Davida Tobacka, vedúceho detektora urýchľovačov vo Fermilabe, keď oznámil výsledky desaťročného experimentu na meranie hmotnosti častice nazývanej W bozón.
Som fyzik častíc s vysokou energiou a súčasťou tímu stoviek vedcov, ktorí postavili a prevádzkovali detektor Collider vo Fermilabe v Illinois – známy ako CDF.
Po miliardách zrážok a rokoch zberu údajov a výpočtov tím CDF zistil, že bozón W má o niečo väčšiu hmotnosť, ako sa očakávalo. Hoci je medzera malá, výsledky opísané v článku publikovanom v Science 7. apríla 2022 zelektrizovali svet časticovej fyziky. Ak je meranie správne, je to ďalší silný signál, že vo fyzickej skladačke o tom, ako vesmír funguje, chýbajú kúsky.
Častica, ktorá nesie slabú silu
Štandardný model časticovej fyziky je súčasným najlepším vedeckým rámcom pre základné zákony vesmíru a popisuje tri základné sily: elektromagnetickú silu, slabú silu a silnú silu.
Silná sila drží atómové jadrá pohromade. Niektoré jadrá sú však nestabilné a podliehajú rádioaktívnemu rozpadu, pričom pomaly uvoľňujú energiu emitovaním častíc. Tento proces je poháňaný slabou silou a od začiatku 20. storočia fyzici hľadali vysvetlenie, prečo a ako sa atómy rozkladajú.
Podľa štandardného modelu sú sily prenášané časticami. V šesťdesiatych rokoch séria teoretických a experimentálnych objavov navrhla, že slabá sila sa prenášala cez častice nazývané bozóny W a Z. Tiež predpokladal, že tretia častica, Higgsov bozón, dáva hmotnosť všetkým ostatným časticiam vrátane W. a Z bozóny.
Od nástupu štandardného modelu v 60. rokoch minulého storočia vedci prehľadali zoznam predpovedaných, no neobjavených častíc a merali ich vlastnosti. V roku 1983 dva experimenty v CERN v Ženeve vo Švajčiarsku zachytili prvý dôkaz o existencii bozónu W. Zdá sa, že má hmotnosť približne priemerne veľkého atómu, akým je napríklad bróm.
V roku 2000 chýbal na dokončenie štandardného modelu a prepojenie všetkého iba jeden kus: Higgsov bozón. Zúčastnil som sa na hľadaní Higgsovho bozónu v troch po sebe nasledujúcich experimentoch a nakoniec sme ho objavili v roku 2012 na Veľkom hadrónovom urýchľovači v CERN-e.
Štandardný model bol kompletný a všetky merania, ktoré sme vykonali, dokonale zodpovedali predpovediam.
Meranie W bozónov
Testovanie štandardného modelu je zábavné – stačí rozbiť častice pri veľmi vysokých energiách. Tieto zrážky nakrátko produkujú ťažšie častice, ktoré sa potom rozpadajú na ľahšie častice. Fyzici používajú obrovské, vysoko citlivé detektory na miestach ako Fermilab a CERN na meranie vlastností a interakcií častíc produkovaných pri týchto zrážkach.
V CDF sa W bozóny produkujú asi raz z 10 miliónov, keď sa zrazí protón a antiprotón. Antiprotóny sú antihmotovou verziou protónov s presne rovnakou hmotnosťou, ale opačným nábojom. Protóny sa skladajú z menších základných častíc nazývaných kvarky a antiprotóny sa skladajú z antikvarkov. Práve kolízia medzi kvarkami a antikvarkami vytvára bozóny W. Bozóny W sa rozpadajú tak rýchlo, že ich nie je možné priamo merať. Fyzici teda sledujú energiu produkovanú ich rozpadom na meranie hmotnosti W bozónov.
Za 40 rokov, odkedy vedci prvýkrát zistili prítomnosť bozónu W, postupné experimenty priniesli čoraz presnejšie merania jeho hmotnosti. Ale až meranie Higgsovho bozónu – keďže dáva hmotnosť všetkým ostatným časticiam – vedci dokázali porovnať nameranú hmotnosť W bozónov s hmotnosťou predpovedanou štandardným modelom. Predpoveď a experimenty sa vždy zhodovali – až doteraz.
Prekvapivo ťažké
Detektor CDF od Fermilabu je vynikajúci v presnom meraní bozónov W. V rokoch 2001 až 2011 sa urýchľovač zrazil protóny s antiprotónmi triliónkrát, pričom vznikli milióny W bozónov a z každej kolízie sa zaznamenalo čo najviac údajov.
Tím Fermilab zverejnil prvé výsledky s použitím zlomku údajov v roku 2012. Zistili sme, že hmotnosť je mierne odlišná, ale blízka predpovedi. Tím potom strávil desať rokov starostlivou analýzou všetkých údajov. Proces zahŕňal mnoho interných krížových kontrol a roky nevyhnutných počítačových simulácií. Aby sa predišlo vniknutiu akejkoľvek zaujatosti do analýzy, nikto nemohol vidieť výsledky, kým nebol úplný výpočet dokončený.
Keď sa fyzikálny svet 7. apríla 2022 konečne dočkal výsledku, všetci sme boli prekvapení. Fyzici merajú hmotnosti elementárnych častíc v jednotkách miliónov elektrónvoltov – skrátene MeV. Zistilo sa, že hmotnosť W bozónu je 80 433 MeV, čo je o 70 MeV viac, ako predpovedá štandardný model. Môže sa to zdať ako malý prebytok, ale meranie je presné s presnosťou 9 MeV. Ide o takmer osemnásobný rozdiel oproti chybe. Keď sme s kolegami videli výsledok, naša reakcia bola „wow! zvučný.
Čo to znamená pre štandardný model
Skutočnosť, že nameraná hmotnosť bozónu W sa nezhoduje s hmotnosťou predpovedanou v štandardnom modeli, môže znamenať tri veci. Buď sú výpočty nesprávne, meranie je nesprávne, alebo v štandardnom modeli niečo chýba.
Po prvé, matematika. Na výpočet hmotnosti W bozónu používajú fyzici hmotnosť Higgsovho bozónu. Experimenty v CERN-e umožnili fyzikom zmerať hmotnosť Higgsovho bozónu s presnosťou na štvrť percenta. Navyše teoretickí fyzici už desaťročia pracujú na výpočtoch hmotnosti bozónu W. Aj keď sú výpočty sofistikované, predpoveď je spoľahlivá a je nepravdepodobné, že by sa zmenila.
Ďalšou možnosťou je chyba v experimente alebo analýze. Fyzici na celom svete už skúmajú výsledok v snahe rozlúsknuť ho. Okrem toho budúce experimenty v CERN môžu nakoniec priniesť presnejší výsledok, ktorý buď potvrdí alebo vyvráti hmotnosť Fermilabu. Ale podľa mňa je skúsenosť to najlepšie meradlo, aké je v súčasnosti možné.
Zostáva teda posledná možnosť: existujú nevysvetliteľné častice alebo sily, ktoré spôsobujú posun hmoty bozónu W. Už pred týmto meraním niektorí teoretici navrhovali nové potenciálne častice alebo sily, ktoré by spôsobili pozorovanú odchýlku. V nadchádzajúcich mesiacoch a rokoch očakávam sériu nových článkov, ktoré sa budú snažiť vysvetliť záhadnú hmotnosť W bozónov.
Ako časticový fyzik môžem s istotou povedať, že okrem štandardného modelu je potrebné objaviť ešte viac fyziky. Ak bude tento nový výsledok platiť, bude to posledný zo série zistení, ktoré ukazujú, že štandardný model a merania v reálnom svete sa často úplne nezhodujú. Práve tieto záhady dávajú fyzikom nové stopy a nové dôvody, prečo pokračovať v hľadaní plnšieho pochopenia hmoty, energie, priestoru a času.
[ZískajtefascinujúcenovinkyvoblastivedyozdravíatechnológiiZaregistrujtesadotýždennéhobulletinuTheConversationovede\[ObtenezdesnouvellesfascinantessurlasciencelasantéetlatechnologieInscrivez-vousàlanewsletterscientifiquehebdomadairedeTheConversation\[GetfascinatingsciencehealthandtechnologynewsSignupforTheConversation’sweeklysciencenewsletter\
Tento článok je znovu publikovaný z The Conversation pod licenciou Creative Commons. Prečítajte si pôvodný článok tu: https://theconversation.com/a-decade-of-science-and-trillions-of-collisions-show-the-w-boson-is-more-massive-than-expected-a – tímový-fyzik-vysvetľuje-čo-to znamená-pre-štandardný-model-181028.
