Fizycy pracujący nad eksperymentem Compact Muon Solenoid (CMS) w CERN dokonali przełomowego osiągnięcia, mierząc masę bozonu W. Analizując dane z ponad miliarda zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), zespół uzyskał bardzo dokładną wartość, która niemal dokładnie odpowiada przewidywaniom Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych.
Rola bozonu W we Wszechświecie
Aby zrozumieć znaczenie tego wymiaru, należy przyjrzeć się podstawowym siłom rządzącym rzeczywistością. Bozon W jest jedną z dwóch cząstek elementarnych odpowiedzialnych za słaby wpływ, jedną z czterech podstawowych sił natury.
W przeciwieństwie do grawitacji czy elektromagnetyzmu, za transformację cząstek odpowiada siła słaba. Umożliwia cząstkom zmianę ich tożsamości, na przykład poprzez zamianę protonu w neutron. Proces ten jest siłą napędową:
– Rozpad promieniotwórczy, który wyzwala różne naturalne procesy.
– Fuzja termojądrowa – sam mechanizm napędzający Słońce.
Ponieważ bozon W jest kamieniem węgielnym zachowania materii na najbardziej podstawowym poziomie, każde odchylenie w jego masie może sygnalizować, że nasze zrozumienie Wszechświata jest niepełne.
Problem „niewidzialnych” cząstek
Pomiar bozonu W jest monumentalnym wyzwaniem technicznym, ponieważ cząstka jest niezwykle niestabilna. Rozpada się niemal natychmiast, uniemożliwiając bezpośrednią obserwację.
W specyficznym procesie rozpadu badanym przez zespół CMS bozon W dzieli się na dwie cząstki: mion i neutrino. O ile mion jest stosunkowo łatwy do wyśledzenia, o tyle neutrino zachowuje się jak „duch” – przechodzi przez detektory nie pozostawiając śladu. Aby rozwiązać ten problem, fizycy muszą przeprowadzić złożone symulacje w celu obliczenia całkowitej masy pierwotnego bozonu W, opierając się wyłącznie na wykrytym mionie i „brakującej energii” pozostawionej przez neutrino.
Rozwiązanie kontrowersji naukowych
Ten nowy wymiar pojawia się w krytycznym momencie dla fizyki cząstek elementarnych. W 2022 r. w ramach współpracy Collider Detector at Fermilab (CDF) opublikowano wyniki, które zszokowały społeczność naukową. Uzyskane przez nich dane wykazały, że bozon W był znacznie cięższy, niż przewidywał Model Standardowy, co wskazywało na istnienie „nowej fizyki” – nieodkrytych cząstek lub sił, które mogą mieć wpływ na pomiary.
Nowe wyniki CMS stanowią niezbędną przeciwwagę dla tej kontrowersji:
– Wynik: Masa została określona na 80 360,2 ± 9,9 MeV.
– Zgodność: Ta wartość jest zgodna z przewidywaniami Modelu Standardowego.
– Dokładność: Poziom dokładności jest porównywalny z pomiarem CDF, ale uzyskany wynik jest inny.
Przedstawiając wynik zgodny z ustalonymi „przepisami” fizyki, eksperyment CMS sugeruje, że poprzednia anomalia w Fermilab mogła być raczej błędem statystycznym niż oznaką nowej rzeczywistości fizycznej.
„Ten nowy pomiar dostarcza mocnych dowodów na to, że można ufać Modelowi Standardowemu” – powiedział dr Kenneth Long, fizyk z MIT.
Wniosek
Dokonując pomyślnego pomiaru masy bozonu W z niespotykaną dotąd precyzją, badacze z CERN potwierdzili ważność Modelu Standardowego. Odkrycie to zapewnia bardzo potrzebną stabilność w dziedzinie nauki, wskazując, że podstawowe prawa fizyki w obecnym rozumieniu pozostają nienaruszone.
