Физики уточнили массу W-бозонов
Группа ATLAS использовала данные, собранные при столкновениях протонных пучков на Большом адронном коллайдере в 2011 году, чтобы уточнить массу векторных W-бозонов, которые служат переносчиками слабого взаимодействия. Найденное учеными значение массы составляет примерно 80370 ± 19 мегаэлектронвольт. Статья опубликована в The European Physical Journal C.
Слабое взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий и одно из трех взаимодействий, входящих в Стандартную модель. Переносчиками слабого взаимодействия служат векторные бозоны — нейтральный бозон Z0 и заряженные W+ и W−. Все три частицы представляют собой калибровочные бозоны одной и той же группы SU(2) и должны быть безмассовыми, однако приобретают массу благодаря механизму Хиггса (спонтанному нарушению симметрии). Из-за этого радиус слабого взаимодействия оказывается сильно ограничен — масса бозонов примерно равна 80-90 гигаэлектронвольт, что отвечает радиусу экранирования около 10−18 сантиметров. Впервые W- и Z-бозоны экспериментально открыли на ускорителе SPS в ЦЕРНе в 1983 году. Теоретическая же модель слабого взаимодействия (модель Глэшоу-Вайнберга-Салама) была разработана в конце 60-х годов и на данный момент входит в состав Стандартной модели элементарных частиц.
В низшем порядке теории возмущений массу W-бозона можно выразить через массу Z-бозона, постоянную тонкой структуры и постоянную Ферми, причем массы положительного и отрицательного бозонов должны совпадать. Однако поправки более высоких порядков начинают зависеть от других калибровочных констант Стандартной модели, а также от массы более тяжелых частиц, например, t-кварка или бозона Хиггса. На данный момент массы всех этих частиц измерены сравнительно неточно (с погрешностью до 0,4 процента), что оставляет пространство для расширенных теорий, которые предсказывают отличия массы W-бозона от расчетов Стандартной модели. Текущее экспериментальное значение массы, полученное объединением результатов различных статей, составляет примерно mW = 80385 ± 15 мегаэлектронвольт, а теоретическое предсказание Стандартной модели — около mW = 80360 ± 8 мегаэлектронвольт. Поэтому нужны новые эксперименты, которые уточнят значение массы и приведут его в соответствие с теорий (или укажут на существование «новой физики»).
В новой статье коллаборация ATLAS сообщает об измерении массы W-бозонов, образовавшихся при столкновениях пучков протонов на Большом адронном коллайдере в 2011 году и зарегистрированных детектором ATLAS. Энергия протонов в центре масс составляла примерно семь гигаэлектронвольт, суммарная светимость коллайдера за время эксперимента достигла 4,6 обратных фемтобарн. Что такое светимость, можно прочитать здесь (грубо говоря, эта величина описывает число столкновений частиц). Предварительно ученые откалибровали детектор по распадам Z-бозона на два лептона, используя сравнительно точно измеренное значение массы бозона (погрешность около 2 мегаэлектронвольт).
Для оценки массы частиц ученые использовали так называемые процессы Дрелла-Яна, в ходе которых W-бозон распадается на лептон (мюон или электрон) и нейтрино (мюонное или электронное, соответственно). Каждый из этих процессов происходит с вероятностью около десяти процентов; за время эксперимента физики зарегистрировали около 7,8×106 кандидатов распада W → μ νμ и около 5,9×106 кандидатов W → e νe. Это примерно на порядок больше числа распадов, зарегистрированных в предыдущих экспериментах.
Собственно, в эксперименте ученые измеряли сечение подобных процессов и смотрели, как оно зависит от поперечных импульсов лептонов и поперечной массы W-бозонов. Затем физики «подгоняли» величину массы W-бозонов так, чтобы теоретическая модель как можно лучше объясняла экспериментальные данные. В результате выяснилось, что массы положительного и отрицательного W-бозонов примерно равны — точнее, они могут отличаться не больше, чем на величину Δm = mW+ − mW− = −29 ± 28 мегаэлектронвольт. Поэтому ученые объединили данные по измерению массы обоих бозонов и получили величину mW = 80370 ± 7 ± 11 ± 14 = 80370 ± 19 мегаэлектронвольт. Здесь первая погрешность обусловлена ошибками «подгона» теории под эксперимент, вторая — систематической погрешностью эксперимента, а третья — неточностью теории (то есть погрешностями входящих в нее параметров).
Подробнее про поиски новых частиц на Большом адронном коллайдере можно прочитать в подборке «Второй сезон Коллайдера». Например, материал «Рудник нолей и единиц» рассказывает, как ученые ищут нужные распады среди огромного числа регистрируемых детектором процессов, а в материале «Разрешите отклониться» приводится список отклонений от Стандартной модели, которые ученые успели найти на Большом коллайдере.
Дмитрий Трунин
Эксперименты с проверкой мартовского рекорда прошли научное рецензирование
Китайские физики попытались воспроизвести результаты по комнатной сверхпроводимости в легированном азотом гидриде лютеция при умеренном давлении, опубликованные в марте этого года их американскими коллегами. И хотя в новых экспериментах ученые увидели характерное изменение цвета, полученное их предшественниками, никаких признаков сверхпроводимости они не нашли. Ранее статья с результатами проверки была доступна лишь в виде препринта, но сейчас она прошла рецензирование и вышла в Nature. В марте этого года группа Ранги Диаса из Рочестерского университета опубликовала статью в журнале Nature, в которой утверждалось, что физики смогли получить комнатную сверхпроводимость при давлении в десять килобар для гидрида лютеция, легированного азотом. Это существенно меньше, чем предыдущий рекорд — миллион с лишним атмосфер, при которых сверхпроводит гидрит лантана при температуре, близкой к комнатной. В случае подтверждения другими группами результат группы Диаса существенно продвинет прогресс в поисках сверхпроводимости при более доступных для практического использования условиях. Авторы этой работы известны не только своими достижениями, но и пристальным вниманием коллег, которое привело к отзыву их предыдущей статьи. Тогда речь шла о сверхпроводимости твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 при 15 градусах Цельсия и 1,4 миллиона атмосфер. Подробности этой истории читайте в материале «Под давлением». Новое достижение группы Диаса тут же было подвергнуто тщательной ревизии и перепроверке со стороны других групп, в том числе и экспериментальных. Часть физиков, к примеру, смогла увидеть характерное изменение цвета материала при изменении давления, но никто пока так и не обнаружил сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом. До этого момента все попытки повторить результат группы Диаса представлены лишь в виде препринтов, то есть статей, не прошедших рецензирование. Первыми, кому удалось попасть на страницы крупного научного журнала, стали физики из университета Нанджунга под руководством Хайя Ху Вэня (Hai-Hu Wen). Метод, которым китайские физики синтезировали легированный азотом гидрид лютеция, слегка отличался от метода группы Диаса. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ и рамановская спектроскопия подтвердили, что все три образца, изготовленные авторами, имеют ту же структуру с едва заметным отличием в постоянной решетки. Эксперименты при высоких давлениях подтвердили эффект изменения цвета: с темно-синего через фиолетовый к розовому. Однако это у группы Хайя Ху Вэня это произошло при куда большем давлении — в диапазоне 2–41 гигапаскаля против 10–320 мегапаскалей у группы Диаса. Авторы исследовали в этом диапазоне проводимость и намагниченность, но не нашли свидетельств сверхпроводимости вплоть до двух кельвин — образец демонстрировал металлические свойства. Но вряд ли новая публикация напрямую приведет к отзыву предыдущей — такое возможно, только если она поможет найти методологические ошибки. Это не первый случай в физике, когда результаты исследований, опубликованные в престижнейших научных журналах, противоречат друг другу. Совсем недавно такое произошло в физике элементарных частиц: масса W-бозона, измеренная с помощью данных с Тэватрона, существенно отличилась от таковой, измеренной на БАКе. Обсуждению этой ситуации посвящен материал «Камешек в ботинке».