Novoizmerena masa elementarne čestice preti da iz temelja poremeti važeće zakone fizike

Fizičari su otkrili da je masa elementarne čestice koja se zove W bozon za 0,1 veća – mala razlika koja bi mogla da nagovesti ogroman pomak u fizici elementarnih čestica.

Rezultati merenja, objavljeni u časopisu Sajens, ustanovljeni su na jednom od starijih modela sudarača čestica u Nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji „Fermi“ u Bataviji, u Ilinoisu, koji je poslednji put razbio protone pre jedne decenije. Oko četiristo članova naučnog tima Collider Detector Fermilab (CDF) nastavilo je da analizira W bozone koje proizveo sudarač, nazvan Tevatron, tražeći moguće izvore grešaka kako bi dostigli što veći nivo preciznosti.

Ugroženi osnovni postulati kvantne fizike

Ako se ovaj višak mase W bozona u odnosu na standardno teorijsko predviđanje može nezavisno potvrditi, nalaz bi implicirao postojanje neotkrivenih čestica ili sila i zahtevao bi temeljno preispitivanje zakona kvantne fizike iz prethodnih pola veka.

„Ovo bi bila potpuna promena u načinu na koji mi vidimo svet“, naglašava Sven Hajnemajer, fizičar Instituta za teorijsku fiziku u Madridu, koji nije bio deo tima sa CDF-a. „Higsovi bozoni se dobro uklapaju u ranije poznatu sliku. Ovo bi bila potpuno nova oblast u koju tek treba ući“, naglašava Hajnemajer.

Ovo otkriće se pojavilo u trenutku kada zajednica fizičara nastoji da otkrije mane u Standardnom modelu elementarnih čestica, skupu jednačina koji obuhvata sve poznate čestice i sile. Poznato je da je Standardni model nekompletan i da u njemu postoje velike nepoznanice i misterije, kao što je, na primer, priroda tamne materije.

Međutim, naučna zajednica je i dalje uzdržana i ne proslavlja novo otkriće. Dok novo merenje mase W bozona, uzeto samo za sebe, uveliko odstupa od predviđanja Standardnog modela, drugi eksperimenti koji su se bavili ovim merenjima, dali su manje dramatične (iako manje precizne) rezultate.

Godine 2017, na primer, ATLAS eksperiment na evropskom Velikom hadronskom sudaraču, izmerio je masu W čestice i otkrio da ima neznatno veću masu od onoga što kaže Standardni model. Sukob između CDF-a i ATLAS-a sugeriše da su jedna ili obe grupe istraživača prevideli neke suptilne karakteristike svojih eksperimenata.

„Želeo bih da to bude potvrđeno i da razumem razliku u odnosu na ranija merenja“, insistira Gijom Unal, fizičar u Cernovoj laboratoriji i član eksperimenta ATLAS. „W bozon mora biti isti sa obe strane Atlantika“.

„To je monumentalan rad“, rekao je Frenk Vilček, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku sa Tehnološkog instituta u Masačusetsu, „Ali je teško odrediti šta da se radi s njim“.

Slabi bozoni

W bozoni, zajedno sa Z bozonima, posreduju u slaboj sili, jednoj od četiri fundamentalne sile univerzuma. Za razliku od gravitacije, elektromagnetizma i jake sile, slaba sila ne gura ili vuče toliko, već pretvara teže čestice u lakše.

Mion (negativno naelektrisana elementarna čestica koja zajedno sa elektronom i tau česticom spada u grupu leptona) spontano se raspada u W bozon i neutrino, na primer, a W bozon tada postaje elektron i drugi neutrino (nenaelektrisane čestice koje spadaju u fermione). Povezana subatomska promena oblika uzrokuje radioaktivnost i pomaže da Sunce sija.

Tokom poslednjih 40 godina u različitim eksperimentima su merena mase W i Z bozona. Masa W bozona se pokazala posebno privlačnom metom. Dok se masa drugih čestica jednostavno mora izmeriti i prihvatiti kao prirodna činjenica, masa W bozona se može predvideti kombinovanjem pregršt drugih merljivih kvantnih svojstava u jednačinama Standardnog modela.

Decenijama, eksperimentatori u Fermilabu i drugde su koristili mrežu veza koja okružuje W bozon kako bi pokušali da otkriju dodatne čestice. Kada su istraživači imali tačna merenja pojmova koji najviše utiču na masu W čestice – brojeva poput jačine elektromagnetne sile i mase Z – mogli su da utvrde efekte koji povlače njenu masu.

Ovaj pristup je omogućio fizičarima da predvide masu čestice zvane vrhunski kvark, koja dodaje masu W bozonu, neposredno pre otkrića vrhunskog kvarka 1995. godine. I ponovili su podvig dvehiljaditih da bi predvideli masu Higsovog bozona, pre nego što je otkriven.

Ali dok su teoretičari imali različite razloge da očekuju da gornji kvark i Higs postoje, i da budu povezani sa W bozonom kroz jednačine Standardnog modela, današnja teorija ima delova koji očigledno nedostaju. Svako odstupanje u masi W bozona ukazivalo bi na nepoznato.

Hvatanje W bozona

Novo merenje mase zasnovano je na analizi oko četiri miliona W bozona proizvedenih na Tevatronu između 2002. i 2011. Kada je Tevatron razbio protone u antiprotone, W bozoni su često iskakali u metežu koji bi usledio. Oni bi tada mogli da se raspadnu na neutrine i, ili, mione ili elektrone, što je lako ustanoviti. Što je brži mion ili elektron, znači da W bozon koji ga je proizveo ima veću masu.

Ašutoš Kotval, fizičar sa Univerziteta Djuke i pokretačka snaga nedavne analize sprovedene u saradnji sa CDF-om, posvetio je celu karijeru usavršavanju ove šeme. Srce eksperimenta W bozona je cilindrična komora prepuna 30.000 visokonaponskih žica koje reaguju kada mion ili elektron prolete kroz njih, omogućavajući istraživačima CDF-a da ustanove putanju i brzinu čestice.

Poznavanje tačne pozicije svake žice je ključno za dobijanje precizne putanje. Za novu analizu, Kotval i njegove kolege su iskoristili mione koji padaju sa neba kao kosmički zraci. Ove čestice nalik mecima konstantno prodiru kroz detektor u skoro savršeno pravim linijama, omogućavajući istraživačima da otkriju sve neuobičajene žice i zakače položaj žica na jedan mikrometar.

Takođe su proveli godine pre objavljivanja podataka, vršeći iscrpne unakrsne provere, ponavljajući merenja na nezavisne načine kako bi izgradili poverenje da razumeju svaku idiosinkraziju Tevatrona. Sve vreme, merenja W bozona su se gomilala sve brže i brže.

Poslednja analiza CDF-a, objavljena 2012. godine, obuhvatila je podatke iz prvih pet godina Tevatrona. Tokom naredne četiri godine podaci su se učetvorostručili.

Skoro deceniju nakon te poslednje analize, saradnja je konačno došla do izražaja. Na sastanku u novembru 2020. godine, Kotval je dešifrovao rezultat tima (radili su sa šifrovanim podacima tako da brojevi ne bi uticali na njihovu analizu) pritiskom na dugme.

Među fizičarima na sastanku je zavladao muk. Otkrili su da W bozon ima masu 80,433 miliona elektron-volti (MeV), daje ili uzima 9 MeV. To ga čini ogromnih 76 MeV masivnijim nego što predviđa Standardni model, što je otprilike sedam puta veće odstupanje od granice greške merenja ili predviđanja.

Takva neusklađenost od „sedam sigma“ se penje iznad nivoa od pet sigma koji fizičari obično moraju da razjasne da bi tvrdili da je konačno otkriće. Ali u ovom slučaju, niža merenja iz ATLAS-a i drugih eksperimenata primoravaju ih da sačekaju.

„Rekao bih da ovo nije otkriće, već provokacija“, smatra Kris Kvig, teoretski fizičar u Fermilabu koji nije bio uključen u istraživanje.

Sukob eksperimenata

Pošto Tevatron skuplja prašinu, teret potvrđivanja ili opovrgavanja ovih merenja će pasti na Veliki hadronski sudarač koji je proizveo više W bozona nego Tevatron, ali njegova veća stopa sudara komplikuje analizu W-ove mase. Ipak, prikupljanjem dodatnih podataka – potencijalno pri nižim intenzitetima zraka – LHC može da otkloni nedoumice u narednim godinama.

U međuvremenu, teoretičari ne mogu a da ne razmišljaju o tome šta bi W bozon ovako velike mase mogao da znači.

Kada mion nakratko emituje W bozon dok se raspada u elektron, taj srednji W bozon može da stupi u interakciju sa drugim česticama, čak i neotkrivenim. To bratimljenje sa nepoznatim je nešto što bi moglo da iskrivi masu W.

W bozon veće mase bi potencijalno mogao da nastane i zbog drugog Higsovog bozona koji je nepokolebljiviji od onog koji poznajemo. Ili bi to moglo biti zbog novog masivnog bozona koji posreduje varijantu slabe sile, ili „kompozitnog“ Higsa napravljenog od više čestica, zajedno sa novom silom koja ih povezuje.

Mukotrpan rad eksperimentatora na usavršavanju preciznih merenja čini istraživače optimističnijim da dolazi dugo očekivani prodor.

„Sve u svemu, čini mi se da se približavamo tački u kojoj će se nešto slomiti“, naglašava fizičar El-Kadra. „Približavamo se tome da zaista vidimo dalje od Standardnog modela“.