CERN: Πραγματοποιήθηκε νέα ακριβέστερη μέτρηση της μάζας του μποζονίου W

Πριν από ένα χρόνο περίπου, οι επιστήμονες του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντή Fermilab του υπουργείου Ενέργειας στο Ιλινόις των ΗΠΑ ανακοίνωσαν ότι μετά από δεκαετή έρευνα, πέτυχαν την πιο ακριβή έως τώρα μέτρηση της μάζας του μποζονίου W, ενός από τα θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια.

Το μποζόνιο W, που ανακαλύφθηκε το 1983, είναι «αγγελιοφόρος» ή φορέας της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και ευθύνεται (μαζί με το «ξαδερφάκι» του, το μποζόνιο Ζ) για τις περισσότερες πυρηνικές διαδικασίες, όπως μέσα στον Ήλιο ή κατά τη διάσπαση των σωματιδίων. Η μάζα του είναι περίπου 80 φορές μεγαλύτερη από εκείνη ενός πρωτονίου.

Αυτό το μικροσκοπικό υποατομικό σωματίδιο αποτελεί αντικείμενο μιας νέας μέτρησης ακριβείας της μάζας του που πραγματοποιούν επιστήμονες στο πλαίσιο του πειράματος ATLAS στο CERN. Το προκαταρκτικό αποτέλεσμα, το οποίο παρουσιάστηκε σήμερα (23/3) στο συνέδριο Rencontres de Moriond, βασίζεται σε μια εκ νέου ανάλυση ενός δείγματος 14 εκατομμυρίων υποψήφιων μποζονίων W που παράγονται από τις συγκρούσεις πρωτονίων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), τη ναυαρχίδα του επιταχυντή σωματιδίων του CERN.

Σύμφωνα με τη νέα μέτρηση του ATLAS συμφωνεί και είναι ακριβέστερη από όλες τις προηγούμενες μετρήσεις εκτός από μία – την τελευταία μέτρηση από το πείραμα CDF στο Tevatron, στο Fermilab.

Μαζί με το ηλεκτρικά ουδέτερο ομόλογό του, το μποζόνιο Ζ, το ηλεκτρικά φορτισμένο μποζόνιο W μεσολαβεί στην ασθενή αλληλεπίδραση όπως ονομάζεται, που είναι υπεύθυνη για μια μορφή ραδιενέργειας και πυροδοτεί την αντίδραση πυρηνικής σύντηξης που τροφοδοτεί τον Ήλιο.

Η ανακάλυψη του σωματιδίου στο CERN πριν από 40 χρόνια επιβεβαίωσε τη θεωρία της ηλεκτρασθενoύς αλληλεπίδρασης που ενοποιεί την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη. Η θεωρία αυτή αποτελεί πλέον ακρογωνιαίο λίθο του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Οι ερευνητές του CERN που έκαναν την ανακάλυψη τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1984.

Έκτοτε, πειράματα σε επιταχυντές σωματιδίων στο CERN και αλλού, έχουν μετρήσει τη μάζα του μποζονίου W με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια. Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, η μάζα του μποζονίου W συνδέεται στενά με την ισχύ των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων και τις μάζες των βαρύτερων θεμελιωδών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων του μποζονίου Z, του κορυφαίου κουάρκ και του μποζονίου Higgs. Σε αυτή τη θεωρία, το σωματίδιο περιορίζεται να ζυγίζει 80354 εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (MeV), με αβεβαιότητα 7 MeV.

Οποιαδήποτε απόκλιση της μετρούμενης μάζας από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου θα αποτελούσε ένδειξη ύπαρξης νέων φυσικών φαινομένων, όπως νέα σωματίδια ή αλληλεπιδράσεις. Για να είναι ευαίσθητες σε τέτοιες αποκλίσεις, οι μετρήσεις μάζας πρέπει να είναι εξαιρετικά ακριβείς.

Το 2017, οι επιστήμονες δημοσίευσαν την πρώτη μέτρηση της μάζας του μποζονίου W, την οποία προσδιόρισαν χρησιμοποιώντας ένα δείγμα μποζονίων W που καταγράφηκε το 2011, όταν ο LHC λειτουργούσε στην ενέργεια σύγκρουσης των 7 TeV. Η μάζα του μποζονίου W προέκυψε στα 80370 MeV, με αβεβαιότητα 19 MeV.

Εκείνη την εποχή, το αποτέλεσμα αυτό αντιπροσώπευε την ακριβέστερη μέτρηση μάζας του μποζονίου W που είχε επιτευχθεί ποτέ από ένα μόνο πείραμα, και συμφωνούσε με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου και όλα τα προηγούμενα πειραματικά αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που προέρχονταν από πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (LEP), τον προκάτοχο του LHC στο CERN.

Πέρυσι, οι ερευνητές στο Fermilab κατάφεραν μια ακόμη πιο ακριβή μέτρηση, βασισμένη στην ανάλυση του πλήρους συνόλου των δεδομένων που συλλέχθηκε στο Tevatron. Το αποτέλεσμα, 80434 MeV με αβεβαιότητα 9 MeV, διέφερε σημαντικά από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Μοντέλου και από τα άλλα πειραματικά αποτελέσματα.

Στη νέα τους μελέτη, οι ερευνητές του ATLAS ανέλυσαν εκ νέου το δείγμα των μποζονίων W του 2011, βελτιώνοντας την ακρίβεια της προηγούμενης μέτρησης. Η νέα μάζα του μποζονίου W, 80360 MeV με αβεβαιότητα 16 MeV, είναι 10 MeV χαμηλότερη από το προηγούμενο αποτέλεσμα του ATLAS και 16% ακριβέστερη. Επιπλέον, το αποτέλεσμα συμφωνεί με το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Για την επίτευξη αυτού του αποτελέσματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια προηγμένη τεχνική προσαρμογής δεδομένων για τον προσδιορισμό της μάζας, καθώς και πιο πρόσφατες, βελτιωμένες εκδόσεις των λεγόμενων συναρτήσεων κατανομής των παρτονίων του πρωτονίου. Οι συναρτήσεις αυτές περιγράφουν την κατανομή της ορμής του πρωτονίου μεταξύ των κουάρκ και των γκλουονίων που το αποτελούν.

«Λόγω ενός μη ανιχνεύσιμου νετρίνο στη διάσπαση του σωματιδίου, η μέτρηση της μάζας του W είναι από τις πιο δύσκολες μετρήσεις ακριβείας που πραγματοποιούνται στους επιταχυντές αδρονίων. Απαιτεί εξαιρετικά ακριβή βαθμονόμηση των μετρούμενων ενεργειών και ορμών των σωματιδίων, καθώς και προσεκτική αξιολόγηση και άριστο έλεγχο των αβεβαιοτήτων μοντελοποίησης», δήλωσε ο εκπρόσωπος του ATLAS Αντρέας Χέκερ. Αυτό το επικαιροποιημένο αποτέλεσμα από το ATLAS επιβεβαιώνει τη συνέπεια της θεωρητικής μας κατανόησης των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων, πρόσθεσε.

Αναμένονται μελλοντικές μετρήσεις της μάζας του μποζονίου W από άλλα πειράματα του LHC, καθώς και περαιτέρω μελέτες από τους επιστήμονες του ATLAS. Αυτές θα παρέχουν ανεξάρτητες αξιολογήσεις των πειραματικών αποτελεσμάτων που έχουν επιτευχθεί μέχρι σήμερα.