Эксперимент CDF по измерению массы W-бозона выявил аномалию в семь стандартных отклонений
Коллаборация CDF сообщила об аномалии в измерении массы W-бозона в столкновении протонов с антипротонами с энергией 1,96 тераэлектронвольт в системе центра масс. Измеренное ими значение, равное 80433±9,4 мегаэлектронвольт, отличается от предсказаний Стандартной модели на семь стандартных отклонений, что может стать самым значимым выходом к Новой физике. Исследование опубликовано в Science.
Согласно современной картине мира фундаментальные взаимодействия происходят через обмен частицами-переносчиками. Исключение составляет гравитация, чей переносчик, гипотетический гравитон, так и не был обнаружен. Переносчики ответственны за превращения одних частиц в другие, а потому их массы связаны с фундаментальными константами и массами остальных частиц через уравнения, записанные в рамках Стандартной модели. Справедливость этих связей можно проверить, измеряя константы и массы по разную сторону от знака равенства. При этом большую роль играет точность измерения: при слишком большой неопределенности отклонения от Стандартной модели могут быть невидимы. По этой причине физика элементарных частиц находится в процессе постоянного улучшения экспериментов по измерению масс.
Все сказанное в полной мере относится к измерению массы W-бозона — одного из переносчиков слабого взаимодействия. В Стандартной модели она наиболее тесно связана с элементарным зарядом и массами других частиц, в первую очередь бозона Хиггса и топ-кварка. На текущий момент теоретики оценивают массу W-бозона равной 80357±4inputs±4theory мегаэлектронвольтам, где первая неопределенность вызвана неточностями измерения входящих в формулы масс и констант, а вторая — отсутствием членов высокого порядка в расчетах с использованием разложения по малому параметру. Со стороны эксперимента последнее точное значение для массы W-бозона было получено коллаборацией ATLAS, оно составляет 80370±19 мегаэлектронвольт. Это несколько меньше, чем значение 80385±15 мегаэлектронвольт, полученное объединением данных с коллайдера Теватрон в Национальной Ускорительной Лаборатории Ферми и с Большого электрон-позитронного коллайдера в ЦЕРНе, и в целом согласуется с теорией.
Теперь же коллаборация CDF, работавшая на Теватроне до его закрытия, сообщила о результатах десятилетних измерений массы W-бозона. Измеряя параметры почти четырех миллионов событий с участием этих частиц, физики смогли в два раза улучшить точность по сравнению с предыдущим сезоном работы и получить значение равное 80433±9,4 мегаэлектронвольт. Новые данные отличаются от предсказаний Стандартной модели на семь стандартных отклонений, что может стать свидетельством существования нового взаимодействия или новой массивной частицы.
Сбор данных на Теватроне происходил с 2002 по 2011 год в столкновениях протонов с антипротонами с энергией 1,96 тераэлектронвольт в системе центра масс со светимостью 8,8 обратных фемтобарн. Использование такого сорта столкновений имеет меньшую неопределенность измерения импульсов разлетающихся партонов и, как следствие, измерения массы W-бозона по сравнению с протон-протонными столкновениями в БАКе. Энергия столкновения также была подобрана таким образом, чтобы минимизировать ширину распределения импульсов разлетающихся продуктов.
В качестве процессов, которые интересовали ученых, выступили распады W-бозонов на электроны и мюоны и соответствующие нейтрино. Масса бозона извлекалась из распределения поперечных импульсов и энергий лептонов, которые измерялись с помощью дрейфовых камер и калориметров. В силу неуловимости нейтрино, главным источником информации стали электроны и мюоны. Чтобы отличить распад W-бозона от распада Z-бозона, который приводит к рождению лептон-антилептонных пар, физики следили за совпадениями сигналов.
Для извлечения массы W-бозона исследователи создавали симуляцию и подгоняли ее результат под измеренные распределения. В результате они получили ответ, равный 80433±9,4 мегаэлектронвольт. Эксперимент оказался в два раза точнее, чем предыдущее измерение, но его результат на семь стандартных отклонений отличается от предсказаний Стандартной модели.
Такая большая аномалия может быть следствием либо неучтенной систематической ошибки, либо доказательством того, что Стандартная модель должна быть расширена. Для проверки первой гипотезы нужно будет дождаться результатов работы других научных групп, в первую очередь ATLAS, работающих на БАКе. Если открытие подтвердится, в Стандартную модель нужно будет включить новое взаимодействие или новую частицу, которая обладает слишком большой массой, чтобы ее можно было зафиксировать на существующих ускорителях. Подобные расширения предлагают некоторые модификации теории суперсимметрии.
От редактора
В первоначальном варианте новости было сказано, что масса W-бозона тесно связана с массой верхнего кварка, хотя на самом деле речь шла о топ-кварке
Подтверждение аномалии добавит еще одну загадку в физику элементарных частиц, которых за последнее время становится все больше. Недавно мы рассказывали, как от предсказаний Стандартной модели начало отклоняться значение аномального магнитного момента мюона, а также результаты калибровки галлиевых детекторов, используемых для регистрации солнечных нейтрино.
Марат Хамадеев
Его эффективность составила 78 процентов
Японские физики создали сверхпроводящий детектор одиночных фотонов шириной 20 микрометров. Вне зависимости от поляризации эффективность регистрации фотонов в нем составляет около 78 процентов, говорится в статье, опубликованной в журнале Optica Quantum. Однофотонные детекторы — одна из ключевых технологий в квантовой оптике и информатике. Например, они используются для передачи и шифрования информации. Чаще всего в качестве однофотонных детекторов используют сверхпроводящие проволочки, имеющие характерную толщину порядка сотни нанометров. Такие детекторы имеют ряд ограничений, начиная от сложности производства и заканчивая зависимостью эффективности регистрации фотонов от их поляризации. Эти проблемы могут быть решены при увеличении толщины сверхпроводящих полосок до нескольких микрометров. Однако регистрация одиночных фотонов в сверхпроводящих детекторах с характерной толщиной в несколько десятков микрометров — до сих пор сложная задача. Основной проблемой на этом пути является рост темнового тока при увеличении толщины детекторов. Физики под руководством Масахиро Ябуно (Masahiro Yabuno) из Национального института информации и коммуникационных технологий в Кобе представили первый широкий сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нитрида ниобия титана NbTiN. Его ширина составила 20 микрометров, а проблему темнового тока ученые решили, изменив структуру детектирующей полоски. В новом детекторе создавалось сразу два разных критических тока, причем краевые области имели более высокие критические токи, чем центральная. Такая структура блокирует вихревое проникновение токов в центральную область, тем самым уменьшая темновой счет. Это позволяет равномерно приложить более высокий ток смещения к центральной области полосы. При этом боковые области полосы не задействованы при регистрации фотонов, что уменьшает влияние на характеристики детектора возможных краевых дефектов, возникающих при производстве. Чтобы добиться такой структуры, физики облучали центральную область полоски нитрида ниобия титана пучком ионов аргона. Такая процедура эффективно снижает критическую температуру и максимальный ток в тонкой сверхпроводящей полосе. Ученые отмечают, что на сегодняшний день неизвестно, почему пучок ионов аргона так действует на сверхпроводящую полоску. Однако при помощи такого метода Ябуно с коллегами создали образец однофотонного детектора с новой сверхпроводящей структурой. Ученые сравнили характеристики нового детектора с детектором такой же ширины, изготовленным обычным способом, а также с детектором, который подвергся облучению ионами аргона по всей ширине. Во всех случаях физики облучали детекторы фотонами с длиной волны 1550 нанометров. Эксперименты производились при двух температурах 0,76 и 2,2 кельвин. В обоих случаях в детекторе с новой структурой удалось приложить более высокие токи смещения и выйти на плато по эффективности регистрации фотонов без неконтролируемого роста темнового счета. После оптимизации нового детектора удалось достичь 78 процентов эффективности регистрации одиночных фотонов при уровне около 80 шумовых отсчетов в секунду при температуре 0,76 кельвин. При этом из-за большой ширины детектора, эффективность регистрации фотонов не зависела от их поляризации. Такая технология может упростить и удешевить производство однофотонных детекторов, необходимых для квантовых вычислений. Другое направление развития таких детекторов — увеличение их пропускной способности. Ранее мы рассказывали, как однофотонный детектор научили считать до четырех.
