БАК: прорыв в изучении фундаментальных свойств материи

На недавней конференции Rencontres de Moriond, коллаборация ATLAS представила результаты последнего тестирования одного из ключевых принципов Стандартной модели физики частиц, известного как универсальность лептонных ароматов. Достигнутая точность является наивысшей среди результатов, полученных одним экспериментом при распадах бозона W, и превосходит текущий средний экспериментальный показатель.

Большинство элементарных частиц можно классифицировать на группы или семейства с похожими свойствами. Например, к семейству лептонов относятся электрон, формирующий отрицательно заряженное облако частиц вокруг ядра каждого атома, мюон, более тяжелая частица, обнаруживаемая в космических лучах, и тау-лептон, еще более тяжелая кратковременная частица, встречающаяся только во взаимодействиях высоких энергий.

По мнению физиков, единственное отличие между этими частицами заключается в их массе, которая образуется благодаря их различной степени взаимодействия с фундаментальным полем, ассоциированным с бозоном Хиггса. В частности, замечательной особенностью Стандартной модели является то, что каждый тип лептона, или "аромат", с одинаковой вероятностью взаимодействует с бозоном W , электрически заряженным переносчиком слабого взаимодействия, одной из четырех фундаментальных сил природы. Этот принцип известен как универсальность лептонных ароматов.

Высокоточные тесты универсальности лептонных ароматов, получаемые путем сравнения скоростей распада бозона W на электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино или тау-лептон и тау-нейтрино, являются чувствительными зондами для поиска физики за пределами Стандартной модели. Действительно, если универсальность лептонных ароматов соблюдается, эти скорости распада должны быть равны (с учетом незначительных поправок, зависящих от массы).

Это можно проверить, измерив отношения скоростей распада бозона W на разные лептонные ароматы. Одной из проблем, связанных с такими измерениями на Большом адронном коллайдере (БАК), является сбор чистой ("несмещенной") выборки бозонов W.

В статье, опубликованной в журнале Nature Physics в 2021 году, ATLAS сообщила о самом точном в мире измерении отношения скорости распада бозона W на тау-лептон по сравнению со скоростью его распада на мюон, демонстрируя, что события столкновения, при которых производится пара топ-кварков, обеспечивают обильный и чистый источник бозонов W.

В недавно опубликованной статье на сервере предварительных печатей arXiv, ATLAS представила новое измерение, на этот раз оценивая отношение скорости распада бозона W на мюон по сравнению со скоростью его распада на электрон. Несмотря на то, что совокупность предыдущих измерений указывала на то, что упомянутое отношение скоростей распада отличается от идеального равенства всего на 0,6%, оставалась возможность для дальнейшего повышения точности данных.

Последние достижения ATLAS базируются на анализе всех данных, полученных во время второй серии экспериментов на Большом адронном коллайдере, проведенных с 2015 по 2018 год. Исследование включало обработку свыше 100 миллионов случаев столкновения топ-кварков, каждое из которых приводило к образованию пары бозона W и нижнего кварка, обеспечивая таким образом набор из 100 миллионов пар бозонов W.

Подсчет количества этих событий с двумя электронами (и без мюона) или двумя мюонами (и без электрона) позволяет физикам проверить, происходит ли распад бозона W чаще на электрон или мюон.

Однако это не так просто. Бозон Z, электрически нейтральный переносчик слабого взаимодействия, также может распадаться на пару электронов или мюонов, оставляя аналогичный экспериментальный след, как и пара топ-кварков. Поскольку комбинированная масса лептонов в событиях с бозоном Z сгруппирована вокруг массы бозона Z в 91 ГэВ, этот фоновый процесс можно оценить и вычесть.

Более того, в результате измерений, проведенных в 1990-х годах на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) CERN и Стэнфордском линейном коллайдере (SLC), отношение скорости распада бозона Z на два мюона по сравнению со скоростью его распада на два электрона известно, что оно равно единице в пределах 0,3%.

В этом новом исследовании ATLAS использование отношения скоростей распада бозона Z в качестве эталонного показателя позволило значительно снизить неопределенности, связанные с анализом электронов и мюонов. Благодаря тому, что подобные неопределенности в измерениях проявлялись одинаково как в случаях с двумя электронами, так и с двумя мюонами, их влияние на итоговые результаты оказалось минимальным.

Итоговый результат этого анализа ATLAS - отношение 0,9995 с неопределенностью 0,0045, полностью совместимое с единицей. С неопределенностью всего в 0,45%, результат является более точным, чем все предыдущие измерения вместе взятые. На данный момент универсальность лептонных ароматов остается непоколебимой.