Камешек в ботинке

Коллаборация CDF утверждает, что в ее эксперименте на Тэватроне масса W-бозона — это частица, отвечающая за слабое взаимодействие — оказалась больше, чем допускает теория. Причем достоверность их результата составляет аж семь (!) стандартных отклонений. Это не первое измерение массы W-бозона, и ни одно из них в строгое противоречие со Стандартной моделью прежде не входило. Рассказываем, сломал ли физику результат CDF, каким образом, и что в связи с этим будут делать дальше ученые.

На пути к теории всего сделано уже довольно много. Сначала физики объединили электромагнитное и слабое взаимодействие, потом присоединили к ним теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику. Получившийся теоретический корпус — Стандартная модель — написан на языке квантовой теории поля. Это означает, что все изученное нами вещество и три фундаментальных взаимодействия (без гравитации) можно описать в терминах элементарных частиц, квантов фундаментальных полей. Стандартная модель описывает их иерархию и законы превращения одних частиц в другие, оперируя несколькими десятками количественных параметров: массами, константами взаимодействия и так далее. Большинство современных экспериментов в физике частиц, таким образом, занимаются измерениями этих параметров.

Согласно Стандартной модели, три фундаментальных взаимодействия происходят благодаря частицам-переносчикам:

• за электромагнитное отвечает фотон,

• сильным управляют восемь глюонов,

• слабое регулируется W^±- и Z-бозонами.

При этом масса есть только у последних — они приобретают ее в рамках хиггсовского механизма (мы описывали его в материале «С днем рождения, БАК!»). Впрочем, в физике элементарных частиц не принято категорически утверждать, что какой-то параметр равен нулю: обычно говорят про некоторое значение, выше которого эта величина точно не может быть. Так, оценки верхнего предела для массы глюонов разнятся на 10 порядков от 10^-10 до 1 мегаэлектронвольта, в то время как для фотона разброс скромнее: от 10^-25 до 10^-21 мегаэлектронвольт (подробнее о массивных фотонах вы можете прочитать в материале «Тяжелый фотон»).

Если перейти от концептуального устройства Стандартной модели к математическому, то на нее можно смотреть как на огромную систему уравнений с n внешних параметров. Физики подставляют туда значения, которые уже были получены экспериментально, а еще не измеренные параметры вводят с оглядкой на совместную (или «глобальную») функцию правдоподобия — в итоге получая «глобальный фит» Стандартной модели. Это позволяет подогнать значения неизвестных параметров таким образом, чтобы те согласовывались с известными переменными. Таким образом фитированая модель — это сбалансированный относительно друг друга набор констант. И если какое-то новое измерение меняет значение одной из переменных, это имеет значение для всей модели в целом — баланс надо искать заново.

Так и случилось

Недавно коллаборация CDF сообщила о том, что ей удалось провести именно такой эксперимент, нарушающий глобальный баланс констант Стандартной модели. Физики, входящие в состав этой коллаборации, обрабатывают гигантский массив данных о столкновениях протонов с антипротонами на кольцевом коллайдере Тэватрон с 1985 по 2011 год. В научной статье, вышедшей 7 апреля в журнале Science, ученые приводят новое значение для массы W-бозона — 80433 ± 9,4 мегаэлектронвольт, полученное на основе последних девяти лет работы ускорителя. Вся соль этой цифры в том, что она больше значения, установленного Стандартной моделью и равного 80357 мегаэлектронвольт, с достоверностью в семь стандартных отклонений.

Семь сигм — это много. Достоверным в физике считается результат, стандартное отклонение которого — пять сигм, этого в свое время оказалось достаточно для подтверждения существования бозона Хиггса или гравитационных волн.

Впрочем, превышение этой границы достоверности еще не открытие. По крайней мере, в случае с массой W-бозона.

Во-первых, потому что W-бозон — это краеугольный компонент Стандартной модели, изменение свойств которого волной прокатится по многим ее уголкам, в первую очередь по свойствам бозона Хиггса, топ-кварка и параметрам слабого взаимодействия.

Во-вторых — и это, пожалуй, более важно — значение, полученное на Тэватроне, противоречит не только экспериментам на Большом адронном коллайдере, но и результатам, полученным на том же Тэватроне ранее (правда, на более ранней и в четыре раза меньшей выборке), при том, что точность определения массы увеличилась лишь в два раза. Даже если бы точность осталась прежней, то достоверность отклонения была бы достаточно высокой, около четырех сигм. Это означает, что за сместившееся среднее значение массы отвечает какой-то систематический эффект, то есть не случайный, а работающий для всей выборки. За систематические эффекты могут отвечать как не обнаруженные ранее физические закономерности, так и банальные недоработки при настройке и калибровке установки.

Результат CDF станет реальным открытием только тогда, когда оно будет проверено в конкурирующем эксперименте, либо появится хорошее объяснение, почему аномалия возникла у CDF, но не проявилась где-либо еще. Учитывая, что Тэватрон больше не работает, проверка аномалии ложится на плечи физиков БАКа — а у них план исследований уже давно расписан. Впрочем, какую-то перепроверку своих результатов может провести команда, работавшая с детектором DZero, который также был установлен на Тэватроне. Другими словами, способов проверить результат CDF здесь и сейчас у нас немного. Этим ситуация с W-бозоном выделяется на фоне других достоверных аномалий, с которыми физики имеют дело сейчас, например загадки радиуса протона, отклонения магнитного момента мюона или нейтринных аномалий — над ними работает множество независимых групп экспериментаторов.

Чем это нам грозит

Так что же означает обнаруженная аномалия? По мнению Эдуарда Бооса из НИИ ядерной физики МГУ, отклонение семь сигм — это верный признак, что что-то делается неправильно. «Это говорит о том, что либо физики из CDF допустили ошибку в анализе экспериментальных данных, либо ими использовалась неправильная схема вычисления массы W-бозона, либо действительно нужно выходить за рамки Стандартной модели».

#1: Возможно, современная теория некорректно понимает процессы, которые изучались на Тэватроне

Вычисляя массы элементарных частиц, физики описывают их свободное распространение, как процесс, связанный с рождением и уничтожением виртуальных частиц. Важно, чтобы в начале и в конце этого процесса параметры самой частицы остались теми же. Виртуальные процессы дают вклад в собственную энергию ни с чем не взаимодействующей частицы. Поскольку ее импульс не изменяется, собственная энергия целиком конвертируется в массу (о том, как это происходит с электроном, излучающим и поглощающим виртуальные фотоны, мы подробно рассказывали в блоге «Менделееву и не снилось»).

W-бозон не только излучает и поглощает виртуальные бозоны, но и виртуально распадается на кварковые или лептонные пары, вновь собираясь в W-бозон. На диаграммах Фейнмана эти процессы представляются в виде замкнутых контуров, их называют петлями.

Вычисление петлевых поправок к массе W-бозона неминуемо приводит теоретиков к расходимостям в интегралах (то есть ситуации, когда взятие интеграла приводит к бесконечности). Чтобы обойти эту проблему, ученые применяют различные процедуры перенормировки, — математические приемы, которые делают ответы физической теории конечными. По мнению Бооса, аномальная масса W-бозона в данных CDF может быть связана с некорректностью как выбранной учеными схемы перенормировки массы W-бозона, так и самой Стандартной модели. В последнем случае это значит, что в реестр элементарных частиц придется ввести совершенно новые частицы, добавить дополнительные физические измерения или внести какие-либо модификации в теорию. Может, например, оказаться, что бозонов Хиггса на самом деле несколько.

Но какая бы ни требовалась модификация теории — новая схема вычисления петли W-бозона или введение новых частиц — она не должна поменять массы всех остальных частиц, согласующихся со Стандартной моделью. «Речь идет в первую очередь о массе Z-бозона, измеренной [в эксперименте] с высокой точностью», — говорит Валерий Рубаков из Института ядерных исследований РАН. Масса электрически нейтрального Z-бозона формируется почти таким же образом, как и у W-бозонов. «Теория, которая давала бы вклад в массу W-бозона, но не касалась бы Z-бозона, должна быть довольно сложной, вычурной и некрасивой», — добавляет физик.

Теоретики уже взялись за работу. Первые препринты, посвященные новым данным о массе W-бозона, появились в один день со статьей коллаборации CDF. Две недели спустя их количество уже перевалило за пять десятков, а темп появления новых публикаций растет.

#2: В ходе анализа данных что-то пошло не так

Экспериментаторы тоже не дремлют. Осторожнее относиться к результатам CDF призвал в своем блоге физик Томмазо Дориго, ранее работавший с ними на Тэватроне. Он обратил внимание на ряд слабых мест в анализе, проведенном бывшими коллегами, чем вызвал жаркую дискуссию у себя в комментариях. Например, он заметил, что если обрабатывать только электронные или только мюонные данные, полученные физиками с CDF, то массы W-бозона будут заметно отличаться — хотя наименьшая из них (электронная) все равно не будет совпадать с предсказанием Стандартной модели. Это свидетельствует о том, что открытый систематический эффект по-разному себя проявляет, когда физики вычисляют массу W-бозона на основе данных только по электронам или только по мюонам.

«Причиной аномалий часто становятся недооценки ошибок эксперимента», — объясняет Дмитрий Горбунов из ИЯИ РАН. И именно эти ошибки определяют величину сигм. Следовательно, если после проверки выяснится, что стандартное отклонение величины, измеренной на Тэватроне, на самом деле больше, то и количество сигм между теоретическим и экспериментальным значением — а значит и степень достоверности результата — может резко уменьшиться.

Есть тонкие места и в теоретическом аппарате. Ведь оценка массы происходит поэтапно с помощью теории возмущений, когда каждый новый вклад в рассчитываемую величину уменьшается. Это значит, что физикам нужно в какой-то момент остановиться, а то, что они отбросили, записать в теоретическую ошибку. «Вполне может быть, что методика оценки этих ошибок в данном случае сработала не идеально», — допускает Горбунов.

Впрочем, многие ученые, с которыми беседовал N + 1, согласны с тем, что у CDF, в отличие от их коллег на БАКе, не было никаких строгих дедлайнов, к которым им нужно было спешить, а потому они потратили немало времени, чтобы аккуратно оценить все ошибки.

#3: Чем это кончится

Пока нелегко предвосхитить, как сложится история этой аномалии. Аргументы как скептиков, которых смущает противоречие между результатами точных экспериментов, так и оптимистов, жаждущих увидеть Новую физику за пределами Стандартной модели, с каждым десятилетием обрастающей новой порцией нестыковок, выглядят вполне разумными.

Результат CDF теперь должен выдержать еще три атаки, прежде чем физики смогут, вооружившись новой массой W-бозонов, пробить брешь в доспехе Стандартной модели. Сначала всем нужно удостовериться в корректности анализа данных. Затем воспроизвести аномалию на Большом адронном коллайдере — никаких других рабочих приборов для контрольного эксперимента на Земле просто нет.

Но если эти два испытания CDF выдержит, у Стандартной модели останется еще один шанс остаться нетронутой: если ученые поймут, что для объяснения аномальной массы W-бозона достаточно модификации в пределах уже существующего теоретического корпуса.

Но возможен и другой сценарий, самый неудобный — и при этом довольно вероятный. Может так случиться, что в работе CDF ошибок не найдут, но эксперимент на БАКе получит классический результат. И разумного объяснения этому — что в пределах, что за пределами Стандартной модели — сформулировать теоретики не смогут. Тогда проблема двух достоверных, но при этом разных масс W-бозона станет для физиков еще одним «камешком в ботинке», которые и без того никак не могут упаковать в Стандартную модель гравитацию, массу нейтрино, темные энергию и массу.