W bozon kütlesi için yeni değer, Standart Modelin ötesinde 2022 fizik ipuçlarını karartıyor

 ATLAS sonucu, Fermilab'ın 2022'de Standart Modelin ötesindeki heyecan verici fizik ipucuyla çelişiyor.

ATLAS deneyi içinde bir W-boson adayının bir müon ve bir müon nötrinoya bozunmasının olay gösterimi. Mavi çizgi, müonun yeniden oluşturulmuş izini gösterir ve kırmızı ok, tespit edilmemiş müon nötrinosunun enerjisini gösterir.

Bilimde, olağanüstü iddiaların olağanüstü kanıtlar gerektirdiği sık sık söylenir. W bozonu olarak bilinen temel parçacığın kütlesine ilişkin son ölçümler, bunun nedeni konusunda yararlı bir vaka çalışması sağlıyor. Geçen yıl, Fermilab fizikçileri, Parçacık Fiziğinin Standart Modeli olarak adlandırılan teorik tahminlerden oldukça önemli ölçüde sapan bir W bozon kütle ölçümü rapor ettiklerinde ortalığı karıştırdılar - yeni fiziğin kışkırtıcı bir ipucu. Diğerleri, ölçüm önceki ölçümlerle çeliştiği için dikkatli olunmasını tavsiye etti.

Bu uyarının haklı olduğu görülüyor. CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki (LHC) ATLAS işbirliği, kendi W bozon verilerinin yeni ve geliştirilmiş bir analizini duyurdu ve kütlesi için ölçülen değerin hâlâ Standart Model ile tutarlı olduğunu buldu. Uyarı: Bu bir ön sonuçtur. Ancak Fermilab'ın 2022 ölçümünün doğru olma olasılığını azaltır.

ATLAS sözcüsü Andreas Hoecker, "W kütle ölçümü, hadron çarpıştırıcılarında gerçekleştirilen en zorlu hassas ölçümler arasında yer alıyor" dedi. "Ölçülen parçacık enerjilerinin ve momentumlarının son derece hassas kalibrasyonunu ve modelleme belirsizliklerinin dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini ve mükemmel kontrolünü gerektirir. ATLAS'ın bu güncellenmiş sonucu sıkı bir test sağlar ve elektrozayıf etkileşimlere ilişkin teorik anlayışımızın tutarlılığını doğrular."

Daha önce bildirdiğimiz gibi, Standart Model, Evrenin temel yapı taşlarını ve maddenin nasıl evrimleştiğini açıklar. Bu bloklar iki temel klana ayrılabilir: fermiyonlar ve bozonlar. Fermiyonlar, Evrendeki tüm maddeyi oluşturur ve leptonları ve kuarkları içerir. Leptonlar, elektronlar ve nötrinolar gibi atom çekirdeğini bir arada tutmaya dahil olmayan parçacıklardır. Görevleri, zayıf nükleer kuvveti kullanarak nükleer bozunma yoluyla maddenin diğer parçacıklara ve kimyasal elementlere dönüşmesine yardımcı olmaktır. Kuarklar atom çekirdeğini oluşturur.

Bozonlar, diğer parçacıkları birbirine bağlayan bağlardır. Bozonlar bir parçacıktan diğerine geçer ve bu da kuvvetlerin ortaya çıkmasına neden olur. Kuvvetle ilgili dört "gösterge bozonu" vardır. Gluon, güçlü nükleer kuvvetle ilişkilidir: bir atomun çekirdeğini birbirine "yapıştırır". Foton, ışığın ortaya çıkmasına neden olan elektromanyetik kuvveti taşır. W ve Z bozonları zayıf nükleer kuvveti taşır ve farklı tipte nükleer bozunmaya yol açar. Ve sonra Higgs alanının bir tezahürü olan Higgs bozonu var. Higgs alanı, Evreni saran görünmez bir varlıktır. Higgs alanı ve parçacıklar arasındaki etkileşimler, daha büyük kütlelere sahip daha güçlü bir şekilde etkileşime giren parçacıklarla, kütleli parçacıklar sağlamaya yardımcı olur.

Standart Model, on yıllardır zorlu testlerden geçti ve 2012'de Higgs bozonunun keşfi bulmacanın son gözlemsel parçasını sağladı. Ancak bu, fizikçileri inatla modelin öngördüğünün ötesinde yeni fizik aramaktan alıkoymadı. Aslında, modelin eksik olması gerektiğini biliyoruz çünkü yerçekimini dahil etmiyor veya Evrendeki karanlık maddenin varlığını hesaba katmıyor. Pek çok fizikçinin karanlık enerjiye atfettiği Evren'in hızlanan genişleme hızını da açıklayamaz.

Anti-parçacıklar da dahil olmak üzere temel parçacıkların standart modeli.

Bu yıl 40 yaşına giren W bozonu, Standart Model'in temel yapı taşı olarak kabul ediliyor ve kütlesinin ölçümlerinin iyileştirilmesi, fizikçilerin Standart Modeli iyileştirmeye ve test etmeye devam etmesine yardımcı oluyor. W bozonlarını doğrudan tespit edemeyiz, bu nedenle araştırmacılar bozunduğunda salınan kütle ve enerjiyi toplamak zorunda kaldılar. Bu, herhangi bir fotonun taşıdığı enerjiyi, parçacıkların kütlesini ve momentumunu ve dedektörlerden iz bırakmadan geçen hızlı hareket eden nötrinoların taşıdığı enerjinin tahminlerini içerir. Kütle tahminindeki artık hatalar, bu çeşitli süreçlerdeki belirsizliklerden kaynaklanmaktadır.

2022 ölçümleri için Fermilab'ın CDF II ekibi, yaklaşık 4 milyon aday W bozon olayına karşılık gelen 10 yıllık kayıtlı verileri taradı ve 80.433GeV, ±0.094'lük bir kütleye ulaştı. Bu, CDF II tarafından 2012'de (80.387GeV, ±0.02) ve 2018'de CERN'de ATLAS tarafından yapılanlar (80.370GeV, ±0.019) dahil olmak üzere W bozonunun kütlesinin önceki ölçümleriyle tutarsız.

Doğru olduğu ortaya çıkarsa, bu daha yüksek kütle, W bozonunu bir şekilde etkileyen henüz keşfedilmemiş olası parçacıkların kanıtı olacaktır. En belirgin adaylar, Standart Model'de var olan tüm bilinen parçacıkların süpersimetrik ortaklarını gerektiren süpersimetri teorisi (SUSY) tarafından tahmin edilen egzotik parçacıklar olacaktır. İşin püf noktası, bugüne kadar LHC dahil hiçbir parçacık hızlandırıcının verilerde SUSY parçacıklarına dair herhangi bir ipucu ortaya çıkarmamış olmasıdır.

W bozon kütlesinin ölçülen değerinin yayınlanan diğer sonuçlarla karşılaştırılması. Dikey bantlar Standart Model tahminini, yatay bantlar ve çizgiler ise sonuçların istatistiksel ve toplam belirsizliklerini gösterir.

2022 ölçümü, önceki en iyi ölçümden kabaca iki kat daha kesindi (milyonda 117 parça), ancak bilinmeyen bir hatanın ortaya çıkma olasılığı göz ardı edilemezdi. Bulguyu öyle ya da böyle doğrulamak için ek bağımsız ölçümler gerekiyor ve bu son ATLAS ölçümü, Standart Model'in W bozonu için tahminlerini destekleyen tüm kanıtlara katkıda bulunuyor.

ATLAS ekibi, 2018 ölçüm sonuçlarının dayandığı W bozonlarının 2011 veri örneğini, protonun momentumunun onu oluşturan kuarklar arasında nasıl paylaşıldığını hesaba katarak daha iyi bir iş çıkaran kütleyi belirlemek için gelişmiş veri uydurma teknikleri kullanarak esasen yeniden analiz etti. gluonlar. Ekip ayrıca, W bozonu üretim sürecini doğrulamak için özel proton-proton çalışmaları gerçekleştirerek buradaki sistemik belirsizliği azalttı.

ATLAS, 16 MeV (megelektron volt) belirsizlikle 80360 MeV'lik bir W bozon kütlesi ile sonuçlandı. Bu, önceki ATLAS sonucundan 10 MeV daha düşük ve yüzde 16 daha kesin. Bu hala konuyla ilgili son söz değil. Ölçüm titiz bir incelemeden geçecek ve diğer fizik deneyleri kendi gelişmiş ölçümlerini yapmaya devam edecek. Ayrıca, W bozonunun kütlesinin daha da gelişmiş bir ölçümü için çok uygun olabilecek, ele alınan birkaç önerilen elektron-pozitron çarpıştırıcısı vardır.