CERN: Η πρώτη υψηλής ακρίβειας μέτρηση στον LHC της μάζας του μποζόνιου W από την ομάδα του ATLAS (video)

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε χθες (12 Φεβρουαρίου 2018) στο European Physical Journal C, η συνεργασία του ATLAS αναφέρει την πρώτη υψηλής ακρίβειας μέτρηση της μάζας του μποζόνιου W, στον LHC (Large Hadron Collider) του CERN. Είναι ένα από τα δυο στοιχειώδη σωμάτια που διαμεσολαβούν στην ασθενή αλληλεπίδραση – μια από τις δυνάμεις που κυβερνούν τη συμπεριφορά της ύλης στο σύμπαν μας. Το αναφερόμενο αποτέλεσμα δίνει μια τιμή των 80370±19 MeV για τη μάζα του W, η οποία είναι συνεπής με την αναμενόμενη από το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της Φυσικής Σωματιδίων, τη θεωρία που περιγράφει τα γνωστά σωμάτια και τις αλληλεπιδράσεις τους.

Η μέτρηση βασίστηκε σε περίπου 14 εκατομμύρια μποζόνια W που καταγράφηκαν σε ένα μόνο έτος (το 2011), όταν το LHC λειτουργούσε στην ενέργεια των 7 TeV. Ταιριάζει με προηγούμενες μετρήσεις που ελήφθησαν από το LEP, τον πρόγονο του LHC στο CERN και στο Tevatron, έναν προηγούμενο επιταχυντή στο Fermilab των ΗΠΑ, των οποίων τα δεδομένα κατέστησαν δυνατή τη συνεχή βελτίωση της μέτρησης αυτής κατά τη διάρκεια των τελευταίων 20 χρόνων. Το μποζόνιο W είναι ένα από τα βαρύτερα γνωστά σωμάτια στο σύμπαν. Η ανακάλυψή του το 1983 έστεψε με επιτυχία τη λειτουργία του Super proton-antiproton Synchrotron στο CERN, οδηγώντας στο βραβείο Nobel Φυσικής του 1984. Αν και ο ιδιότητες του μποζόνιου W μελετήθηκαν για περισσότερο από 30 χρόνια, η μέτρηση της μάζας του με υψηλή ακρίβεια παρέμενε μια πρόκληση.

«Πετυχαίνοντας μια τέτοια ακριβή μέτρηση παρά την παρουσία των απαιτούμενων συνθηκών σε ένα μηχανισμό σύγκρουσης αδρονίων όπως ο LHC είναι μια μεγάλη πρόκληση», είπε ο Tancredi Carli, ο συντονιστής φυσικής της συνεργασίας του ATLAS. «Το να φτάσεις σε παρόμοια ακρίβεια, όπως αυτή που υπήρξε προηγουμένως σε άλλες συσκευές σύγκρουσης, με μόνο ένα χρόνο δεδομένα από τον γύρο-1 [λειτουργίας] είναι αξιοσημείωτο. Είναι μια εξαιρετικά υποσχόμενη ένδειξη της ικανότητάς μας να βελτιώνουμε τη γνώση του Καθιερωμένου Προτύπου και να αναζητούμε για σημάδια της νέας φυσικής μέσω υψηλής ακρίβειας μετρήσεων».

Το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι πολύ ισχυρό στην πρόβλεψη της συμπεριφοράς και ορισμένων χαρακτηριστικών των στοιχειωδών σωματίων και καθιστά δυνατή τη μείωση ορισμένων παραμέτρων από άλλες πολύ καλά γνωστές ποσότητες. Οι μάζες του μποζόνιου W, του κουάρκ top και του μποζόνιου Higgs, για παράδειγμα, συνδέονται με σχέσεις κβαντικής φυσικής. Είναι, συνεπώς πολύ σημαντικό να βελτιωθεί η ακρίβεια των μετρήσεων της μάζας του μποζόνιου W για την καλύτερη κατανόηση του μποζόνιου Higgs, την βελτίωση του Καθιερωμένου Προτύπου και τον έλεγχο της συνολικής του συνέπειας.

Είναι αξιοσημείωτο ότι, η μάζα του μποζόνιου W μπορεί να προβλέπεται σήμερα με ακρίβεια που υπερβαίνει εκείνη των άμεσων μετρήσεων. Αυτός είναι ο λόγος που αποτελεί βασικό συστατικό στην έρευνα της σύγχρονης φυσικής, καθώς οποιαδήποτε απόκλιση της μάζας που μετριέται από την πρόβλεψη θα μπορούσε να αποκαλύψει νέα φαινόμενα που συγκρούονται με το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Η μέτρηση βασίζεται σε μια ενδελεχή ρύθμιση του ανιχνευτή και του θεωρητικού μοντέλου παραγωγής του μποζόνιου W. Αυτά επετεύχθησαν μέσω της μελέτης των γεγονότων του μποζόνιου Z και διάφορων άλλων επικουρικών μετρήσεων. Η πολυπλοκότητα της ανάλυσης τεκμαίρεται από το ότι πήρε σχεδόν πέντε χρόνια για την ομάδα του ATLAS για να πετύχει αυτό το νέο αποτέλεσμα. Επιπλέον ανάλυση με το τεράστιο δείγμα των τωρινών διαθέσιμων δεδομένων του LHC, θα επιτρέψει ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια στο άμεσο μέλλον.

Δείτε το video από το CERN με πολύ ενδιαφέροντα στοιχεία:

Πηγή: CERN

Περισσότερα στη δημοσίευση: Measurement of the W-boson mass in pp collisions at √s=7 TeV with the ATLAS detector. The European Physical Journal C.