Загадка W-бозона: аномальное поведение частицы знаменует открытие новой физики

В 2012 году открытие бозона Хиггса завершило формирование стандартной модели элементарных частиц, однако оставило открытыми множество вопросов о строении Вселенной. Особенно актуальными остаются загадки тёмной материи и асимметрии материи и антиматерии. Именно в этом контексте последние измерения, выполненные коллаборацией ATLAS на Большом адронном коллайдере, приобретают особое значение.

Исследование ученых посвящено измерению «ширины» W-бозона — параметра, отражающего время жизни частицы и характеристики её распада. Согласно Стандартной модели, точное значение ширины W-бозона может быть предсказано, и любое значительное отклонение от предсказанного значения может свидетельствовать о наличии неучтённых явлений.

W-бозон — это элементарная частица, один из переносчиков силы слабого взаимодействия, которое отвечает за некоторые типы радиоактивного распада, такие как бета-распад. В слабом взаимодействии W-бозоны могут быть как положительно, так и отрицательно заряженными (W⁺ и W⁻ соответственно). Эти частицы обладают значительной массой, что во многом определяет короткий радиус действия слабого взаимодействия. Открытие W-бозонов в 1983 году на ускорителе в ЦЕРН стало важным подтверждением Стандартной модели физики элементарных частиц.

Предыдущие измерения в CERN и в коллайдере Fermilab показали значение ширины в 2085 ± 42 миллионов электрон-вольт (MeV), что соответствует предсказанию Стандартной модели в 2088 ± 1 MeV. Однако новые измерения на LHC показали значение в 2202 ± 47 MeV, что является наиболее точным измерением, выполненным одним экспериментом до настоящего времени. Такое значение, хоть и немного больше предсказанного, находится в пределах 2,5 стандартных отклонений, что позволяет считать его совместимым со Стандартной моделью.

Для достижения такой высокой точности исследователи провели детальный анализ импульса частиц при распаде W-бозона на электрон или мюон и соответствующий им нейтрино, который оставляет след в виде недостающей энергии в данных о столкновениях. Также необходимо было точно откалибровать отклик датчика ATLAS на эти частицы, учитывая вклад фоновых процессов.

Кроме того, в рамках исследования было одновременно измерено и обновлено значение массы W-бозона, которое составило 80367 ± 16 MeV, улучшив предыдущие результаты ATLAS.

Исследование включало использование данных о структуре протона, полученных из глобального анализа данных различных экспериментов по физике частиц, что позволило улучшить точность измерений.

Ожидается, что будущие измерения ширины и массы W-бозона с использованием более крупных наборов данных ATLAS уменьшат статистические и экспериментальные неопределенности. Одновременно прогресс в теоретических предсказаниях и более четкое понимание функций распределения партонов помогут уменьшить теоретические неопределенности. Поскольку измерения станут еще более точными, физики смогут проводить еще более строгие испытания Стандартной модели и исследовать новые частицы и силы.