Новоизмерена маса елементарне честице прети да из темеља поремети важеће законе 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 Сајенс, установљени су на једном од старијих модела сударача честица у Националној акцелераторској лабораторији „Ферми“ у Батавији, у Илиноису, који је последњи пут разбио протоне пре једне деценије. Око четиристо чланова научног тима Collider Detector Fermilab (ЦДФ) наставило је да анализира W бозоне које произвео сударач, назван Теватрон, тражећи могуће изворе грешака како би достигли што већи ниво прецизности.

Угрожени основни постулати квантне физике

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 са ЦДФ-а. „Хигсови бозони се добро уклапају у раније познату слику. Ово би била потпуно нова област у коју тек треба ући“, наглашава Хајнемајер.

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, АТЛАС експеримент на европском Великом хадронском сударачу, измерио је масу W честице и открио да има незнатно већу масу од онога што каже Стандардни модел. Сукоб између ЦДФ-а и АТЛАС-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 АТЛАС. „W бозон мора бити исти са обе стране Атлантика“.

„То је монументалан рад“, рекао је Френк Вилчек, добитник Нобелове награде за физику са Технолошког института у Масачусетсу, „Али је тешко одредити шта да се ради с њим“.

Слаби бозони

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.

Хватање W бозона

Ново мерење масе засновано је на анализи око четири милиона W бозона произведених на Теватрону између 2002. и 2011. Када је Теватрон 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.

Ашутош Котвал, физичар са Универзитета Дјуке и покретачка снага недавне анализе спроведене у сарадњи са ЦДФ-ом, посветио је целу каријеру усавршавању ове шеме. Срце експеримента W бозона је цилиндрична комора препуна 30.000 високонапонских жица које реагују када мион или електрон пролете кроз њих, омогућавајући истраживачима ЦДФ-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 Теватрона. Све време, мерења W бозона су се гомилала све брже и брже.

Последња анализа ЦДФ-а, објављена 2012. године, обухватила је податке из првих пет година Теватрона. 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, што 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 АТЛАС-а и других експеримената приморавају их да сачекају.

„Рекао бих да ово није откриће, већ провокација“, сматра Крис Квиг, теоретски физичар у Фермилабу који није био укључен у истраживање.

Сукоб експеримената

Пошто Теватрон скупља прашину, терет потврђивања или оповргавања ових мерења ће пасти на Велики хадронски сударач који је произвео више W бозона него Теватрон, 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 са 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“.