LHC experimenty v CERNe pozorujú kvantové previazanie pri doteraz najvyššej energii

Doposiaľ najpresnejšie meranie hmotnosti W bozónu na LHC je netrpezlivo očakávaným výsledkom, ktorý je naviac v súlade s predpoveďou Štandardného modelu časticovej fyziky.

Najnovšie meranie hmotnosti W bozónu bolo uskutočnené CMS experimentom v CERNe. W bozón je elementárna častica, ktorá spolu so Z bozónom sprostredkuje slabú silu, ktorá je zodpovedná za rádioaktivitu a spúšťa jadrovú fúziu poháňajúcu Slnko.

Počas seminára, ktorý sa dnes uskutočnil v CERNe, CMS kolaborácia referovala o ich analýze dát z druhého behu protón-protónových zrážok na Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC), ktorej účelom bolo ich prvé meranie hmotnosti tejto fundamentálnej častice.

Získaný výsledok je nateraz najpresnejším meraním hmotnosti W bozónu na LHC a zhoduje sa s predpoveďou Štandardného modelu časticovej fyziky a so všetkými predchádzajúcimi meraniami, s výnimkou merania z CDF experimentu na bývalom protón-antiprotónovom urýchľovači Tevatron vo Fermilabe.

Podľa Štandardného modelu má hmotnosť W bozónu úzky vzťah k sile interakcie, ktorá zjednocuje elektromagnetickú a slabú silu a tiež k hmotnosti Higgsovho bozónu a k hmotnosti top kvarku. Toto vymedzuje hodnotu hmotnosti W bozónu na 80353 miliónov elektrónvoltov (MeV) s neurčitosťou 6 MeV.

Meranie hmotnosti W bozónu s vysokou presnosťou umožňuje testovať, či sú všetky tieto vlastnosti v súlade so Štandardným modelom. Ak nie sú, príčinou by mohli byť také fenomény novej fyziky, ako sú nové častice a interakcie.

Od objavu W bozónu, ktorý sa uskutočnil pred zhruba 40-timi rokmi v CERNe, bola jeho hmotnosť meraná so stále väčšou presnosťou niekoľkými urýchľovačovými experimentami, v CERNe a na iných miestach. V roku 2022 nameral CDF experiment prekvapujúco vysokú hodnotu hmotnosti W bozónu, čo uvrhlo časticu do “krízy stredného veku”. CDF hodnota 80433,5 MeV s neurčitosťou 9,4 MeV sa podstatne líšila od predpovede Štandardného modelu a tiež od ďalších experimentálnych meraní, čo vyvolalo potrebu ďalších štúdií.

ATLAS kolaborácia, ktorá vykonala svoje prvé meranie hmotnosti W bozónu v roku 2017, zverejnila v roku 2023 zlepšený výsledok založený na reanalyzovaní dát z prvého behu protón-protónových zrážok na LHC. Tento zlepšený výsledok, 80366,5 MeV s neurčitosťou 15,9 MeV, bol v súlade so všetkými predošlými meraniami, s výnimkou CDF merania, ktoré zostáva doteraz najpresnejším meraním s presnosťou 0,01%.

Experiment CMS teraz prispel do tohoto globálneho snaženia so svojím prvým meraním hmotnosti W bozónu. Vysoko očakávaný výsledok, 80360,2 s neurčitosťou 9,9 MeV, má presnosť porovnateľnú s CDF meraním a súhlasí so všetkými predošlými meraniami okrem práve CDF výsledku.

“Čakanie na CMS výsledok sa skončilo. Po dôkladnej analýze dát získaných v roku 2016 a vykonaní všetkých krížových kontrol, CMS má hotovú hodnotu pre hmotnosť W bozónu,” povedala odchádzajúca hovorkyňa CMS Patricia McBride. “Táto analýza je prvým pokusom zmerať hmotnosť W bozónu v náročných podmienkach zrážok druhého behu LHC. A všetka náročná práca kolektívu vyústila do extrémne presného merania hmotnosti W bozónu a najpresnejšieho merania na LHC.”

“Meranie hmotnosti W bozónu je veľmi ťažké, zahŕňa delikátne merania a teoretické modelovania produkcie W bozónu a jeho rozpadu na leptón (v tomto prípade mión) a neutríno, ktoré uniká bez detekcie,” vysvetľuje nastupujúci hovorca CMS Gautier Hamel de Monchenault. “Takúto rekordnú úroveň presnosti sme získali vďaka schopnosti CMS detektora merať mióny s vysoko presnosťou a použitím najnovších a najpokročilejších teoretických nástrojov, z ktorých niektoré boli testované krížovou kontrolou.“

Tento výsledok opäť predvádza výnimočnosť LHC a jeho detektorov, ktoré naďalej posúvajú hranice presnosti a podrobujú Štandardný model a jeho rozšírenia čoraz prísnejším testom. Ďalší pokrok v tomto smere sa dá očakávať od dát, ktoré sa získajú z prebiehajúceho tretieho behu LHC, ako aj od dát z High-Luminosity LHC, modernizovanej verzie LHC. 

CMS kandidát na prípad zrážky, v ktorej sa vzniknutý W bozón rozpadá na mión (červená čiara) a neutríno, ktoré uniká detekcii (ružová šípka). (Image: CMS/CERN)