Коллаборация CDF сообщила об аномалии в измерении массы W-бозона в столкновении протонов с антипротонами с энергией 1,96 тераэлектронвольт в системе центра масс. Измеренное ими значение, равное 80433±9,4 мегаэлектронвольт, отличается от предсказаний Стандартной модели на семь стандартных отклонений, что может стать самым значимым выходом к Новой физике. Исследование опубликовано в Science.

Согласно современной картине мира фундаментальные взаимодействия происходят через обмен частицами-переносчиками. Исключение составляет гравитация, чей переносчик, гипотетический гравитон, так и не был обнаружен. Переносчики ответственны за превращения одних частиц в другие, а потому их массы связаны с фундаментальными константами и массами остальных частиц через уравнения, записанные в рамках Стандартной модели. Справедливость этих связей можно проверить, измеряя константы и массы по разную сторону от знака равенства. При этом большую роль играет точность измерения: при слишком большой неопределенности отклонения от Стандартной модели могут быть невидимы. По этой причине физика элементарных частиц находится в процессе постоянного улучшения экспериментов по измерению масс.

Все сказанное в полной мере относится к измерению массы W-бозона — одного из переносчиков слабого взаимодействия. В Стандартной модели она наиболее тесно связана с элементарным зарядом и массами других частиц, в первую очередь бозона Хиггса и верхнего кварка. На текущий момент теоретики оценивают массу W-бозона равной 80357±4_inputs±4_theory мегаэлектронвольтам, где первая неопределенность вызвана неточностями измерения входящих в формулы масс и констант, а вторая — отсутствием членов высокого порядка в расчетах с использованием разложения по малому параметру. Со стороны эксперимента последнее точное значение для массы W-бозона было получено коллаборацией ATLAS, оно составляет 80370±19 мегаэлектронвольт. Это несколько меньше, чем значение 80385±15 мегаэлектронвольт, полученное объединением данных с коллайдера Теватрон в Национальной Ускорительной Лаборатории Ферми и с Большого электрон-позитронного коллайдера в ЦЕРНе, и в целом согласуется с теорией.

Теперь же коллаборация CDF, работавшая на Теватроне до его закрытия, сообщила о результатах десятилетних измерений массы W-бозона. Измеряя параметры почти четырех миллионов событий с участием этих частиц, физики смогли в два раза улучшить точность по сравнению с предыдущим сезоном работы и получить значение равное 80433±9,4 мегаэлектронвольт. Новые данные отличаются от предсказаний Стандартной модели на семь стандартных отклонений, что может стать свидетельством существования нового взаимодействия или новой массивной частицы.

Сбор данных на Теватроне происходил с 2002 по 2011 год в столкновениях протонов с антипротонами с энергией 1,96 тераэлектронвольт в системе центра масс со светимостью 8,8 обратных фемтобарн. Использование такого сорта столкновений имеет меньшую неопределенность измерения импульсов разлетающихся партонов и, как следствие, измерения массы W-бозона по сравнению с протон-протонными столкновениями в БАКе. Энергия столкновения также была подобрана таким образом, чтобы минимизировать ширину распределения импульсов разлетающихся продуктов.

В качестве процессов, которые интересовали ученых, выступили распады W-бозонов на электроны и мюоны и соответствующие нейтрино. Масса бозона извлекалась из распределения поперечных импульсов и энергий лептонов, которые измерялись с помощью дрейфовых камер и калориметров. В силу неуловимости нейтрино, главным источником информации стали электроны и мюоны. Чтобы отличить распад W-бозона от распада Z-бозона, который приводит к рождению лептон-антилептонных пар, физики следили за совпадениями сигналов.

Для извлечения массы W-бозона исследователи создавали симуляцию и подгоняли ее результат под измеренные распределения. В результате они получили ответ, равный 80433±9,4 мегаэлектронвольт. Эксперимент оказался в два раза точнее, чем предыдущее измерение, но его результат на семь стандартных отклонений отличается от предсказаний Стандартной модели.

Такое большая аномалия может быть следствием либо неучтенной систематической ошибки, либо доказательством того, что Стандартная модель должна быть расширена. Для проверки первой гипотезы нужно будет дождаться результатов работы других научных групп, в первую очередь ATLAS, работающих на БАКе. Если открытие подтвердится, в Стандартную модель нужно будет включить новое взаимодействие или новую частицу, которая обладает слишком большой массой, чтобы ее можно было зафиксировать на существующих ускорителях. Подобные расширения предлагают некоторые модификации теории суперсимметрии.

Подтверждение аномалии добавит еще одну загадку в физику элементарных частиц, которых за последнее время становится все больше. Недавно мы рассказывали, как от предсказаний Стандартной модели начало отклонятся значение аномального магнитного момента мюона, а также результаты калибровки галлиевых детекторов, используемых для регистрации солнечных нейтрино.

Марат Хамадеев