Почему W-бозон может произвести революцию в физике?

Что мы знаем о Вселенной, в которой живем? Чтобы хоть немного понять устройство окружающего мира, исследователи разработали мощные научные инструменты. Такие телескопы, как Хаббл и Джеймс Уэбб, что начнет полноценную работу уже в июне 2022 года, в прямом смысле слова открыли нам глаза. Но изучать Вселенную можно и на Земле, например, с помощью ускорителей частиц.
Ведь согласно физическим теориям, все вокруг нас (как и мы сами) состоит из невидимых глазу частиц, что работают по своим законам. Общая теория относительности Эйнштейна блестяще описывает нашу повседневную реальность, но когда речь заходит об элементарных частицах, ОТО не работает, а знаменитую Стандартную модель элементарных частиц все чаще называют неполной. Так, согласно результатам нового исследования, частица W-бозон, кажется на 0,1% тяжелее других. И если это действительно так, нас ожидает пересмотр самой успешной научной теории всех времен.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество последних может быть разным: от нуля до нескольких десятков.

Мы – это звездная пыль

Итак, существует две теории объясняющие устройство Вселенной – ОТО и квантовая механика. При этом ОТО все чаще получает подтверждения за пределами нашей планеты. Так, ученым удалось поймать гравитационные волны и наблюдать за самыми таинственными обитателями космоса – черными дырами.
Как и предсказывал Эйнштейн, сила притяжения огибает свет вокруг этих массивных объектов, а их столкновение порождает гравитационные волны.
Но когда речь заходит о квантовой механике, все становится странным. Например, Вселенная расширяется с ускорением, что противоречит известным законам физики и ученые пока не могут объяснить почему. И пока астрономы наблюдают за звездами, их коллеги дробят материю на атомы.


Из чего состоит атом

Атомы – это мельчайшие крупицы, из которых состоит все вокруг. Как однажды сказал астрофизик Лоуренс Краусс, «атомы вашей левой руки пришли от одной взорвавшейся звезды, а атомы правой – от другой». Старые звезды погибают, выбрасывая в космос множество элементов, необходимых для появления жизни. Так что мы с вами в каком-то смысле и правда звездная пыль.
И все же мы не знаем, как строительные кирпичики Вселенной взаимодействуют между собой создавая реальность. Это порождает новые вопросы, ответы на которые могут подарить ускорители частиц.

Ускорители частиц

Чтобы понять как фундаментальные строительные блоки Вселенной сочетаются друг с другом, ученые создают новые компьютерные модели. Согласно результатам измерений, полученных с помощью коллайдера частиц в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в США, физики кое-что обнаружили.
Ускорители частиц – класс устройств для получения заряженных частиц высоких энергий. Принцип их работы довольно прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля. Первые ускорители появились в 1930-хгг. Коллайдер в лаборатории Ферми был самым мощным в мире до 2009 года, затем его заменил Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН.
Несмотря на то, что ускоритель Ферми разбил свои последние протоны десять лет назад, физики наблюдали экспериментальное открытие процесса одновременного рождения трех W-бозонов. И после длительного анализа им наконец удалось точно измерить массу этих загадочных частиц.


Ученые заявили, что определили массу W-бозона с точностью 0,01 процента, что вдвое превышает точность предыдущих попыток

Новое открытие, как сообщают его авторы, может навсегда изменить физику, так как полученные результаты сильно отличаются от прогнозов, основанных на Стандартной модели, разработанной в 1970-х годах. В ней прекрасно все, за исключением темной материи и гравитации – что они собой представляют на субатомном уровне остается тайной.

Из чего состоит реальность?

Как известно, все элементарные частицы обладают массой. Рассчитать ее можно с помощью взаимодействия с другими частицами Стандартной модели. Дальше эту предсказанную массу необходимо сопоставить с фактическими измерениями, проведенными на коллайдере. Этой работой заняты примерно 400 сотрудников лаборатории Ферми (Fermilab).
W-бозоны — это элементарные частицы, которые влияют на ядерные процессы, например, те, что происходят на Солнце. Стандартная модель гласит, что масса частиц связана с массой бозона Хиггса и еще одной субатомной частицы — топ-кварка.
Продолжая анализировать W-бозоны, производимые коллайдером Tevatron в лаборатории Ферми, физики отслеживают множество ошибок, чтобы добиться беспрецедентного уровня точности в своих измерениях. Если избыточный вес W-бозонов можно подтвердить, открытие будет означать существование неизвестных науке частиц или сил. Более того, оно может привести к первому серьезному переписыванию законов квантовой физики за последние 50 лет.


Изучение настолько редких процессов позволит проверить предсказания Стандартной модели

Полученные данные могут полностью изменить наше видение мира. Значимость бозона Хиггса покажется не такой уж и важной. Дело в том, что Хиггс хорошо вписывается в Стандартную модель в отличие от W-бозонов, – отмечают авторы исследования.
Но несмотря на полученные результаты и разговоры о Новой физике, наполнять бокалы шампанским еще рано. В то время как новое измерение массы W-бозона само по себе резко отличается от предсказаний Стандартной модели, другие эксперименты не такие впечатляющие.

Загадочные бозоны

W-бозоны вместе с Z-бозонами опосредуют слабое взаимодействие – одну из четырех фундаментальных сил Вселенной. В отличие от гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия, слабое взаимодействие не столько толкает или притягивает, сколько превращает более тяжелые частицы в более легкие.
Например, мюон спонтанно распадается на W-бозон и нейтрино, а W-бозон затем становится электроном и другим нейтрино. Связанное с этим субатомное изменение формы вызывает радиоактивность.
Изучение W-бозона продолжается, так как эта элементарная частица может участвовать в редких процессах, в которых ученые надеются найти следы Новой физики, – полагают исследователи.
За последние 40 лет в различных экспериментах были измерены массы W- и Z-бозонов. Разница заключается в том, что массу W-бозона можно предсказать, объединив несколько других измеримых квантовых свойств в уравнениях Стандартной модели.



Эксперимент ATLAS продолжит работу, чтобы наконец узнать самые большие тайны Вселенной

Так, мюон при распаде кратковременно испускает W-бозон и эта промежуточная частица может взаимодействовать с другими частицами, в том числе неизвестными нам. Авторы исследования полагают, что именно это взаимодействие с неизвестностью может искажать массу W-бозона.
Расхождение полученной учеными массы W-бозона примерно в семь раз больше предсказанной. В прошлом году физики коллаборации ATLAS уточнили темпы рождения мюонов и таонов в распадах W-бозонов на одноименном детекторе Большого адронного коллайдера (БАК уже произвел больше W-бозонов, чем его предшественник).
И хотя более высокая частота столкновений в БАК усложняет анализ массы W-бозона, сбор дополнительных данных критически важен. Особенно ввиду других открытий, которые также свидетельствуют о возможном пересмотре Стандартной модели.