Открытие бозона Хиггса в 2012 году внесло последний недостающий фрагмент в головоломку Стандартной модели. Тем не менее, оно оставило нерешенные вопросы. Что лежит за пределами этих рамок? Где находятся новые явления, которые могли бы разрешить оставшиеся загадки Вселенной, такие как природа темной материи и происхождение асимметрии материи-антиматерии?
Одним из параметров, который может дать ключ к разгадке новых физических явлений, является "ширина" W-бозона, электрически заряженного носителя слабого взаимодействия. Ширина частицы напрямую связана с ее временем жизни и описывает, как она распадается на другие частицы. Если W-бозон распадается неожиданным образом, например, на еще не открытые новые частицы, это повлияет на измеренную ширину.
Поскольку Стандартная модель точно предсказывает его значение на основе силы заряженного слабого взаимодействия и массы W-бозона (наряду с меньшими квантовыми эффектами), любое значительное отклонение от прогноза будет указывать на наличие неучтенных явлений.
Ширина W-бозона ранее была измерена на Большом электрон–позитронном (LEP) коллайдере CERN и Теватронном коллайдере Fermilab, что дало среднее значение 2085 ± 42 миллиона электронвольт (МэВ), что соответствует прогнозу стандартной модели в 2088 ± 1 МэВ.
Используя данные о столкновениях протон-протон с энергией 7 ТэВ, собранные во время первого запуска LHC, ATLAS измерил ширину W-бозона как 2202 ± 47 МэВ. Это самое точное измерение на сегодняшний день, сделанное в рамках одного эксперимента, и, хотя оно немного больше, оно согласуется с прогнозом стандартной модели с точностью до 2,5 стандартных отклонений (см. Рисунок ниже).
Этот замечательный результат был достигнут путем выполнения подробного анализа количества частиц-импульсов распадов W-бозона на электрон или мюон и соответствующее им нейтрино, которые остаются незамеченными, но оставляют следы недостающей энергии в случае столкновения (см. Изображение выше). Это потребовало от физиков точной калибровки реакции детектора ATLAS на эти частицы с точки зрения эффективности, энергии и импульса с учетом вклада фоновых процессов.
Однако для достижения такой высокой точности также требуется объединение нескольких высокоточных результатов. Например, было важно точное понимание образования W-бозона при протон-протонных столкновениях, и исследователи полагались на комбинацию теоретических предсказаний, подтвержденных различными измерениями свойств W и Z-бозонов.
Также решающее значение для этого измерения имеет знание внутренней структуры протона, которая описывается в функциях распределения партонов. Физики ATLAS включили и протестировали функции распределения партонов, полученные глобальными исследовательскими группами на основе данных fits из широкого спектра экспериментов по физике элементарных частиц.
Сотрудники ATLAS collaboration измерили ширину W-бозона одновременно с массой W-бозона, используя статистический метод, который позволил напрямую ограничить часть параметров, количественно определяющих неопределенности, из измеренных данных, тем самым повысив точность измерения.
Обновленное измерение массы W-бозона составляет 80367 ± 16 МэВ, что улучшает и заменяет предыдущее измерение ATLAS с использованием того же набора данных. Измеренные значения как массы, так и ширины согласуются с предсказаниями Стандартной модели.
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 точное понимание функций распределения партонов помогут уменьшить теоретические неопределенности. По мере того, как их измерения будут становиться все более точными, физики смогут проводить еще более строгие тесты Стандартной модели и исследовать новые частицы и взаимодействия.
Источник: CERN
На изображении:
Вид события столкновения ATLAS, при котором потенциальный W-бозон распадается на мюон и нейтрино. Реконструированные треки заряженных частиц во внутренней части детектора ATLAS показаны оранжевыми линиями. Отложения энергии в калориметрах детектора показаны желтыми прямоугольниками. Идентифицированный мюон показан красной линией. Отсутствующий поперечный импульс, связанный с нейтрино, показан зеленой пунктирной линией.
Предоставлено: ATLAS / CERN
Дополнительные материалы
