А был ли W-бозон? Странности измерения, которые озадачили физиков

Мир элементарных частиц полон сюрпризов. Один из них — история с W-бозоном, частицей, ответственной за фундаментальные процессы во Вселенной, от горения звезд до образования химических элементов. Казалось бы, что может быть проще, чем измерить массу такой важной частицы? Но, как выяснилось, именно с этим и возникли сложности, поставившие под вопрос наше понимание законов природы.

Несоответствие, которое потрясло мир физики

Представьте себе: две группы ученых, вооружившись самыми передовыми технологиями, проводят независимые измерения. И получают… разные результаты. Причем разница не укладывается в рамки статистической погрешности. Это не просто ошибка в расчетах, это — вызов Стандартной модели, краеугольному камню современной физики элементарных частиц.

Первыми тревогу забили исследователи из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab). Анализируя данные, полученные на ускорителе Тэватрон (который, к слову, был самым мощным в мире до запуска Большого адронного коллайдера), они обнаружили, что W-бозон оказался значительно «тяжелее», чем предсказывала теория. Речь идет о разнице в 77 миллионов электронвольт — величина, кажущаяся ничтожной в повседневных масштабах, но колоссальная для мира элементарных частиц.

Этот результат, опубликованный несколько лет назад, вызвал настоящий переполох. Ведь если W-бозон действительно настолько массивен, это означает, что в Стандартной модели есть пробелы. Возможно, существуют неизвестные нам частицы или взаимодействия, которые влияют на массу W-бозона. А может быть, сама теория нуждается в корректировке.

Призрачная аномалия: ЦЕРН вносит ясность (или нет?)

И вот, когда физики уже начали строить смелые гипотезы о «новой физике», на сцену выходит ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) со своими результатами. Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, провели собственное измерение массы W-бозона. И, к удивлению многих, получили значение, практически идеально совпадающее с предсказаниями Стандартной модели.

Получается, аномалия исчезла? Не совсем. Разница между результатами двух экспериментов осталась, и она слишком велика, чтобы ее игнорировать. Значит, либо одна из команд допустила ошибку, либо… обе.

Дьявол кроется в деталях: в поисках источника ошибки

Ашутош Котвал, физик из Университета Дьюка, который на протяжении многих лет занимается изучением W-бозона, не собирается сдаваться. Он и его коллеги скрупулезно анализируют данные обоих экспериментов, пытаясь понять, где кроется источник расхождения.

Задача эта — не из легких. Измерить массу W-бозона напрямую невозможно. Эти частицы живут ничтожно малое время — меньше триллионной доли триллионной доли секунды. Они рождаются в результате столкновений частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, и тут же распадаются. Поэтому ученым приходится действовать косвенно, изучая «осколки» распада W-бозона.

Измерив энергию и импульс этих частиц, можно, опираясь на законы сохранения, вычислить массу исходного бозона. Но для этого нужно с ювелирной точностью определить траекторию каждой частицы-осколка.

«Соедини точки»: как реконструируют траектории частиц

В эксперименте Fermilab использовался детектор, представляющий собой цилиндрическую камеру, заполненную тончайшими проволочками. Когда частица пролетает через камеру, она оставляет за собой след — серию электрических сигналов на этих проволочках. Задача ученых — восстановить траекторию частицы по этим сигналам, словно соединяя точки в детской игре.

Котвал и его команда потратили годы, чтобы разработать сложнейшие алгоритмы, позволяющие определить положение каждой проволочки с точностью до миллионной доли метра. Но даже при такой точности остается вероятность ошибки. Что, если проволочки были расположены не совсем так, как предполагалось? Что, если камера была деформирована?

Именно эти вопросы и поставил перед собой Котвал. Он провел тщательный анализ всех возможных смещений проволочек и пришел к выводу, что они слишком малы, чтобы объяснить наблюдаемое расхождение в результатах.

Прозрачность — ключ к истине

Поиск истины продолжается. Котвал подчеркивает, что в вопросах фундаментальной физики не должно быть места недосказанности. Методы исследования должны быть абсолютно прозрачными, чтобы другие ученые могли проверить и перепроверить полученные результаты.

История с W-бозоном — это не просто научная загадка. Это напоминание о том, что наука — это непрерывный процесс поиска, сомнений и уточнений. И даже самые устоявшиеся теории могут быть подвергнуты сомнению, если на то есть веские основания. Найдут ли ученые объяснение расхождению в измерениях массы W-бозона? Покажет время. Но одно можно сказать наверняка: этот поиск приведет к новым открытиям и углубит наше понимание Вселенной.