Уточненная масса W-бозонов указала на физику за пределами стандартной модели

Анализ данных давно закрытого коллайдера позволил найти миллионы событий — кандидатов в W±-бозоны и вычислить массу этих частиц с рекордной точностью. Однако полученное физиками число заметно отличается от предсказаний стандартной модели. Возможно, этот результат указывает на долгожданный прорыв в поисках более полной картины физического мира. О нем сообщается в статье, опубликованной в журнале Science большой коллаборацией CDF, объединившей сотни ученых из 54 вузов мира.

Современная физика базируется на стандартной модели квантовой механики, которая описывает элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия между ними. Переносчиками этих взаимодействий выступают бозоны: за электромагнитное «отвечают» фотоны, за сильное — глюоны, за слабое — незаряженные Z-бозоны и несущие заряд W±-бозоны. Слабое взаимодействие ответственно за некоторые формы радиоактивного распада и многие другие процессы, происходящие с частицами и с ядрами атомов.

Стандартная модель великолепно согласуется с большинством экспериментов, дает верные и точные предсказания, которые проверены уже многократно. Однако и она предлагает далеко не полную картину физического мира. В частности, в этой концепции никак не описана гравитация; не существует частиц, которые могли бы играть роль темной материи, и тому подобное. Стремясь нащупать основания новой, всеобъемлющей теории, физики ведут эксперименты на ускорителях и коллайдерах. Большая часть этой работы связана с поисками новых, неизвестных стандартной модели частиц либо с уточнением характеристик уже известных. Такие данные могут указать хотя бы на направление поисков новой теории.

Этим занимались и физики из международной коллаборации CDF, обсчитывая данные, собранные коллайдером Tevatron американской Национальной ускорительной обсерватории имени Ферми. Сами эксперименты завершились еще в 2011 году, однако анализ полученной информации еще продолжается. Ученые отслеживали W-бозоны, рождавшиеся в результате столкновений протонов с антипротонами на детекторе CDF-II.

В экспериментах 1985-2011 годов зарегистрировано около 4,2 миллиона таких кандидатов. Расчеты проведены с точностью около 0,01 процента (вдвое лучше предыдущих) и показали, что масса W-бозонов составляет 80433 МэВ/с2. Это примерно в 80 раз массивнее протона. Но главное в том, что значение, которое предсказывает стандартная модель, составляет 80357 МэВ/с2. Отличие от новой оценки массы W-бозона более чем достаточно (семь сигма) для того, чтобы не считать это несовпадение чем-то случайным или незначительным.

Однако как интерпретировать такой результат, пока не ясно: возможно, этому помогут новые ускорители и коллайдеры частиц, которые планируются или уже строятся в разных странах. Они позволят зарегистрировать W-бозоны, возникающие при других процессах, чтобы дополнительно проверить и уточнить полученный результат.