Новоизмерена маса елементарне честице прети да из темеља поремети важеће законе физике.
Резултати деценијске анализе у којој су научници мерили масу W бозона наговештавају да ове елементарне честице имају знатно већу масу него што предвиђа Стандардни модел физике елементарних честица. Уколико би ово откриће било потрврђено, неминовно би били уздрмани темељни закони квантне физике. Физичари су открили да је маса елементарне честице која се зове W бозон за 0,1 већа – мала разлика која би могла да наговести огроман помак у физици елементарних честица.
Резултати мерења, објављени у часопису Science, установљени су на једном од старијих модела сударача честица у Националној акцелераторској лабораторији „Ферми” у Батавији у Илиноису (САД), који је последњи пут разбио протоне пре једне деценије. Отприлике 400 чланова научног тима Collider Detector Fermilab (CDF) наставило је да анализира W бозоне које произвео сударач, назван Tevatron, тражећи могуће изворе грешака како би достигли што већи ниво прецизности.
W бозони, заједно са Z бозонима, посредују у слабој сили, једној од 4 фундаменталне силе универзума. За разлику од гравитације, електромагнетизма и јаке силе, слаба сила не гура или вуче толико, већ претвара теже честице у лакше.
Ако се овај вишак масе W бозона у односу на стандардно теоријско предвиђање може независно потврдити, налаз би имплицирао постојање неоткривених честица или сила и захтевао би темељно преиспитивање закона квантне физике из претходних пола века. „Ово би била потпуна промена у начину на који ми видимо свет”, наглашава Свен Хајнемајер, физичар Института за теоријску физику у Мадриду, који није био део тима. „Хигсови бозони се добро уклапају у раније познату слику. Ово би била потпуно нова област у коју тек треба ући.” Ово откриће се појавило у тренутку када заједница физичара настоји да открије мане у Стандардном моделу елементарних честица, скупу једначина који обухвата све познате честице и силе. Познато је да је Стандардни модел некомплетан и да у њему постоје велике непознанице и мистерије, као што је, на пример, природа тамне материје.
Међутим, научна заједница је и даље уздржана и не прославља ново откриће. Док ново мерење масе W бозона, узето само за себе, увелико одступа од предвиђања Стандардног модела, други експерименти који су се бавили овим мерењима дали су мање драматичне (иако мање прецизне) резултате. Године 2017, на пример, ATLAS експеримент на „Великом хадронском сударачу” (LHC), измерио је масу W честице и открио да има незнатно већу масу од онога што каже Стандардни модел. Сукоб између CDF-а и ATLAS-а сугерише да су једна или обе групе истраживача превидели неке суптилне карактеристике својих експеримената.
„Желео бих да то буде потврђено и да разумем разлику у односу на ранија мерења”, инсистира Гијом Унал, физичар у Церновој лабораторији и члан експеримента ATLAS. „W бозон мора бити исти са обе стране Атлантика.” „То је монументалан рад”, рекао је Френк Вилчек, добитник Нобелове награде за физику из Технолошког института у Масачусетсу (MIT), „Али је тешко одредити шта да се ради с њим.”
W бозони, заједно са Z бозонима, посредују у слабој сили, једној од четири фундаменталне силе универзума. За разлику од гравитације, електромагнетизма и јаке силе, слаба сила не гура или вуче толико, већ претвара теже честице у лакше. Мион (негативно наелектрисана елементарна честица која заједно са електроном и тау честицом спада у групу лептона) спонтано се распада у W бозон и неутрино, на пример, а W бозон тада постаје електрон и други неутрино (ненаелектрисане честице које спадају у фермионе). Повезана субатомска промена облика узрокује радиоактивност и помаже да Сунце сија.
Током последњих 40 година у различитим експериментима су мерена масе W и Z бозона. Маса W бозона се показала посебно привлачном метом. Док се маса других честица једноставно мора измерити и прихватити као природна чињеница, маса W бозона се може предвидети комбиновањем прегршт других мерљивих квантних својстава у једначинама Стандардног модела. Деценијама, експериментатори у Фермилабу и другде су користили мрежу веза која окружује W бозон како би покушали да открију додатне честице. Када су истраживачи имали тачна мерења појмова који највише утичу на масу W честице – бројева попут јачине електромагнетне силе и масе Z – могли су да утврде ефекте који повлаче њену масу.
Овај приступ је омогућио физичарима да предвиде масу честице зване врхунски кварк, која додаје масу W бозону, непосредно пре открића врхунског кварка 1995. године. И поновили су подвиг двехиљадитих да би предвидели масу Хигсовог бозона, пре него што је откривен. Али док су теоретичари имали различите разлоге да очекују да горњи кварк и Хигс постоје, и да буду повезани са W бозоном кроз једначине Стандардног модела, данашња теорија има делова који очигледно недостају. Свако одступање у маси W бозона указивало би на непознато. Ново мерење масе засновано је на анализи око четири милиона W бозона произведених на Tevatron-у између 2002. и 2011. Када је Tevatron разбио протоне у антипротоне, W бозони су често искакали у метежу који би уследио. Они би тада могли да се распадну на неутрине и, или, мионе или електроне, што је лако установити. Што је бржи мион или електрон, значи да W бозон који га је произвео има већу масу.
Tevatron
Ашутош Котвал, физичар са Универзитета Дјук и покретачка снага недавне анализе спроведене у сарадњи са CDF-ом, посветио је целу каријеру усавршавању ове шеме. Срце експеримента W бозона је цилиндрична комора са 30.000 високонапонских жица које реагују када мион или електрон пролете кроз њих, омогућавајући истраживачима CDF-а да установе путању и брзину честице. Познавање тачне позиције сваке жице је кључно за добијање прецизне путање. За нову анализу, Котвал и његове колеге су искористили мионе који падају са неба као космички зраци. Ове честице налик мецима константно продиру кроз детектор у скоро савршено правим линијама, омогућавајући истраживачима да открију све неуобичајене жице и закаче положај жица на један микрометар. Такође су провели године пре објављивања података, вршећи исцрпне унакрсне провере, понављајући мерења на независне начине како би изградили поверење да разумеју сваку идиосинкразију Tevatron-а. Све време, мерења W бозона су се гомилала све брже и брже.
Последња анализа CDF-а, објављена 2012. године, обухватила је податке из првих пет година Tevatron-а. Током наредне четири године подаци су се учетворостручили. Скоро деценију након те последње анализе, сарадња је коначно дошла до изражаја. На састанку у новембру 2020. године, Котвал је дешифровао резултат тима (радили су са шифрованим подацима тако да бројеви не би утицали на њихову анализу) притиском на дугме. Међу физичарима на састанку је завладао мук. Открили су да W бозон има масу 80,433 милиона електрон-волти (MeV), даје или узима 9 MeV. То га чини огромних 76 MeV масивнијим него што предвиђа Стандардни модел, a то је отприлике седам пута веће одступање од границе грешке мерења или предвиђања.
Таква неусклађеност од „седам сигма” се пење изнад нивоа од пет сигма који физичари обично морају да разјасне да би тврдили да је коначно откриће. Али у овом случају, нижа мерења из ATLAS-а и других експеримената приморавају их да сачекају. „Рекао бих да ово није откриће, већ провокација”, сматра Крис Квиг, теоријски физичар у Фермилабу који није био укључен у истраживање. Tерет потврђивања или оповргавања ових мерења ће пасти на „Велики хадронски сударач” (LHC) надомнак Женеве који је произвео више W бозона него Tevatrpn, али његова већа стопа судара компликује анализу W-ове масе. Ипак, прикупљањем додатних података – потенцијално при нижим интензитетима зрака – LHC може да отклони недоумице у наредним годинама. У међувремену, теоретичари не могу а да не размишљају о томе шта би W бозон овако велике масе могао да значи.
Када мион накратко емитује W бозон док се распада у електрон, тај средњи W бозон може да ступи у интеракцију са другим честицама, чак и неоткривеним. То братимљење с непознатим је нешто што би могло да искриви масу W. W бозон веће масе би потенцијално могао да настане и због другог Хигсовог бозона који је непоколебљивији од оног који познајемо. Или би то могло бити због новог масивног бозона који посредује варијанту слабе силе, или „композитног” Хигса направљеног од више честица, заједно са новом силом која их повезује. Мукотрпан рад експериментатора на усавршавању прецизних мерења чини истраживаче оптимистичнијим да долази дуго очекивани продор. „Све у свему, чини ми се да се приближавамо тачки у којој ће се нешто сломити”, наглашава физичар Ел-Кадра. „Приближавамо се томе да заиста видимо даље од Стандардног модела.”
(Извор РТС)
