Разногласия в
измерениях массы W-бозона затрудняют проверку Стандартной модели
22 апреля 2022 г.
Коллаборация CDF утверждает, что в
ее эксперименте на Тэватроне масса W-бозона — это
частица, отвечающая за слабое взаимодействие — оказалась больше, чем допускает
теория. Причем достоверность их результата составляет аж
семь (!) стандартных отклонений. Это не первое измерение массы W-бозона, и ни
одно из них в строгое противоречие со Стандартной моделью прежде не входило.
Рассказываем, сломал ли физику результат CDF, каким образом, и что в связи с
этим будут делать дальше ученые.
На пути к теории всего сделано уже довольно много. Сначала
физики объединили электромагнитное и слабое взаимодействие, потом присоединили
к ним теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику.
Получившийся теоретический корпус — Стандартная модель — написан на языке
квантовой теории поля. Это означает, что все изученное нами вещество и три
фундаментальных взаимодействия (без гравитации) можно описать в терминах
элементарных частиц, квантов фундаментальных полей. Стандартная модель
описывает их иерархию и законы превращения одних частиц в другие, оперируя
несколькими десятками количественных параметров: массами, константами
взаимодействия и так далее. Большинство современных экспериментов в физике
частиц, таким образом, занимаются измерениями этих параметров.
Согласно Стандартной модели, три фундаментальных
взаимодействия происходят благодаря частицам-переносчикам:
·
за электромагнитное
отвечает фотон,
·
сильным управляют
восемь глюонов,
·
слабое регулируется W±- и Z-бозонами.
При этом масса есть только у последних — они приобретают ее
в рамках хиггсовского механизма (мы описывали его в
материале «С днем рождения, БАК!»). Впрочем, в физике элементарных частиц не
принято категорически утверждать, что какой-то параметр равен нулю: обычно
говорят про некоторое значение, выше которого эта величина точно не может быть.
Так, оценки верхнего предела для массы глюонов
разнятся на 10 порядков от 10-10 до 1 мегаэлектронвольта,
в то время как для фотона разброс скромнее: от 10-25 до 10-21 мегаэлектронвольт (подробнее о массивных фотонах вы можете
прочитать в материале «Тяжелый фотон»).
Если перейти от концептуального устройства Стандартной
модели к математическому, то на нее можно смотреть как
на огромную систему уравнений с n внешних параметров. Физики подставляют туда
значения, которые уже были получены экспериментально, а еще не измеренные
параметры вводят с оглядкой на совместную (или «глобальную») функцию
правдоподобия — в итоге получая «глобальный фит» Стандартной модели. Это позволяет подогнать значения
неизвестных параметров таким образом, чтобы те согласовывались с известными
переменными. Таким образом фитированая
модель — это сбалансированный относительно друг друга набор констант. И если
какое-то новое измерение меняет значение одной из переменных, это имеет
значение для всей модели в целом — баланс надо искать заново.
Так и случилось
Недавно коллаборация CDF сообщила
о том, что ей удалось провести именно такой эксперимент, нарушающий глобальный
баланс констант Стандартной модели. Физики, входящие в состав этой коллаборации, обрабатывают гигантский массив данных о
столкновениях протонов с антипротонами на кольцевом коллайдере Тэватрон с 1985 по
2011 год. В научной статье, вышедшей 7 апреля в журнале Science,
ученые приводят новое значение для массы W-бозона — 80433 ± 9,4 мегаэлектронвольт, полученное на основе последних девяти
лет работы ускорителя. Вся соль этой цифры в том, что она больше значения,
установленного Стандартной моделью и равного 80357 мегаэлектронвольт,
с достоверностью в семь стандартных отклонений.
Семь сигм — это много. Достоверным в физике считается
результат, стандартное отклонение которого — пять сигм, этого в свое время
оказалось достаточно для подтверждения существования бозона Хиггса
или гравитационных волн.
Впрочем, превышение этой границы достоверности еще не
открытие. По крайней мере, в случае с массой W-бозона.
Во-первых, потому что W-бозон — это краеугольный компонент
Стандартной модели, изменение свойств которого волной прокатится по многим ее
уголкам, в первую очередь по свойствам бозона Хиггса,
топ-кварка и параметрам слабого взаимодействия.
Во-вторых — и это, пожалуй, более важно —
значение, полученное на Тэватроне, противоречит не
только экспериментам на Большом адронном коллайдере, но и результатам, полученным на том же Тэватроне ранее (правда, на более ранней и в четыре раза
меньшей выборке), при том, что точность определения массы увеличилась лишь в
два раза. Даже если бы точность осталась прежней, то достоверность
отклонения была бы достаточно высокой, около четырех сигм. Это означает, что за
сместившееся среднее значение массы отвечает какой-то систематический эффект,
то есть не случайный, а работающий для всей выборки. За систематические эффекты
могут отвечать как не обнаруженные ранее физические закономерности, так и банальные
недоработки при настройке и калибровке установки.
Результат CDF станет реальным открытием только тогда, когда
оно будет проверено в конкурирующем эксперименте, либо появится хорошее
объяснение, почему аномалия возникла у CDF, но не проявилась где-либо еще.
Учитывая, что Тэватрон больше не работает, проверка
аномалии ложится на плечи физиков БАКа — а у них план
исследований уже давно расписан. Впрочем, какую-то перепроверку своих
результатов может провести команда, работавшая с детектором DZero,
который также был установлен на Тэватроне. Другими
словами, способов проверить результат CDF здесь и сейчас у нас немного. Этим
ситуация с W-бозоном выделяется на фоне других достоверных аномалий, с которыми
физики имеют дело сейчас, например загадки радиуса протона, отклонения
магнитного момента мюона или нейтринных аномалий — над ними работает множество
независимых групп экспериментаторов.
Так что же означает обнаруженная аномалия? По мнению Эдуарда
Бооса из НИИ ядерной физики МГУ, отклонение семь сигм — это верный признак, что
что-то делается неправильно. «Это говорит о том, что либо физики из CDF
допустили ошибку в анализе экспериментальных данных, либо ими использовалась
неправильная схема вычисления массы W-бозона, либо действительно нужно выходить
за рамки Стандартной модели».
#1: Возможно,
современная теория некорректно понимает процессы, которые изучались на Тэватроне
Вычисляя массы элементарных частиц, физики описывают их
свободное распространение, как процесс, связанный с рождением и уничтожением
виртуальных частиц. Важно, чтобы в начале и в конце этого процесса параметры
самой частицы остались теми же. Виртуальные процессы дают вклад в собственную
энергию ни с чем не взаимодействующей частицы. Поскольку ее импульс не
изменяется, собственная энергия целиком конвертируется в массу (о том, как это
происходит с электроном, излучающим и поглощающим виртуальные фотоны, мы
подробно рассказывали в блоге «Менделееву и не снилось»).
W-бозон не только излучает и поглощает виртуальные бозоны,
но и виртуально распадается на кварковые или
лептонные пары, вновь собираясь в W-бозон. На диаграммах Фейнмана эти процессы
представляются в виде замкнутых контуров, их называют петлями.
Примеры диаграмм, дающих вклад в собственную энергию
W-бозона. Слева бозон виртуально распадается на какой-либо лептон и
антинейтрино (или антилептон и нейтрино). Справа — на
топ-кварк и боттом-антикварк (или топ-антикварк и боттом-кварк)
Вычисление петлевых поправок к массе W-бозона неминуемо
приводит теоретиков к расходимостям в интегралах (то
есть ситуации, когда взятие интеграла приводит к бесконечности). Чтобы обойти
эту проблему, ученые применяют различные процедуры перенормировки, —
математические приемы, которые делают ответы физической теории конечными. По
мнению Бооса, аномальная масса W-бозона в данных CDF может быть связана с
некорректностью как выбранной учеными схемы перенормировки массы W-бозона, так
и самой Стандартной модели. В последнем случае это значит, что в реестр
элементарных частиц придется ввести совершенно новые частицы, добавить
дополнительные физические измерения или внести какие-либо модификации в теорию.
Может, например, оказаться, что бозонов Хиггса на
самом деле несколько.
Но какая бы ни требовалась модификация теории — новая схема
вычисления петли W-бозона или введение новых частиц — она не должна поменять
массы всех остальных частиц, согласующихся со Стандартной моделью. «Речь идет в
первую очередь о массе Z-бозона, измеренной [в эксперименте] с высокой
точностью», — говорит Валерий Рубаков из Института
ядерных исследований РАН. Масса электрически нейтрального
Z-бозона формируется почти таким же образом, как и у W-бозонов. «Теория,
которая давала бы вклад в массу W-бозона, но не касалась бы Z-бозона, должна
быть довольно сложной, вычурной и некрасивой», — добавляет физик.
Теоретики уже взялись за работу. Первые препринты,
посвященные новым данным о массе W-бозона, появились в один день со статьей коллаборации CDF. Две недели спустя их количество уже
перевалило за пять десятков, а темп появления новых публикаций растет.
#2: В ходе анализа
данных что-то пошло не так
Экспериментаторы тоже не дремлют. Осторожнее относиться к
результатам CDF призвал в своем блоге физик Томмазо Дориго, ранее работавший с ними на Тэватроне.
Он обратил внимание на ряд слабых мест в анализе, проведенном бывшими
коллегами, чем вызвал жаркую дискуссию у себя в комментариях. Например, он
заметил, что если обрабатывать только электронные или только мюонные данные,
полученные физиками с CDF, то массы W-бозона будут заметно отличаться — хотя
наименьшая из них (электронная) все равно не будет совпадать с предсказанием
Стандартной модели. Это свидетельствует о том, что открытый систематический
эффект по-разному себя проявляет, когда физики вычисляют массу W-бозона на
основе данных только по электронам или только по мюонам.
«Причиной аномалий часто становятся недооценки ошибок
эксперимента», — объясняет Дмитрий Горбунов из ИЯИ РАН. И именно эти ошибки
определяют величину сигм. Следовательно, если после проверки выяснится, что
стандартное отклонение величины, измеренной на Тэватроне,
на самом деле больше, то и количество сигм между теоретическим и
экспериментальным значением — а значит и степень достоверности результата —
может резко уменьшиться.
Есть тонкие места и в теоретическом аппарате. Ведь оценка
массы происходит поэтапно с помощью теории возмущений, когда каждый новый вклад
в рассчитываемую величину уменьшается. Это значит, что физикам нужно в какой-то
момент остановиться, а то, что они отбросили, записать в теоретическую ошибку.
«Вполне может быть, что методика оценки этих ошибок в данном случае сработала
не идеально», — допускает Горбунов.
Впрочем, многие ученые, с которыми беседовал N + 1, согласны
с тем, что у CDF, в отличие от их коллег на БАКе, не
было никаких строгих дедлайнов, к которым им нужно было
спешить, а потому они потратили немало времени, чтобы аккуратно оценить все
ошибки.
#3: Чем это кончится
Пока нелегко предвосхитить, как сложится история этой
аномалии. Аргументы как скептиков, которых смущает противоречие между
результатами точных экспериментов, так и оптимистов, жаждущих увидеть Новую
физику за пределами Стандартной модели, с каждым десятилетием обрастающей новой
порцией нестыковок, выглядят вполне разумными.
Результат CDF теперь должен выдержать еще три атаки, прежде
чем физики смогут, вооружившись новой массой W-бозонов, пробить брешь в доспехе
Стандартной модели. Сначала всем нужно удостовериться в корректности анализа
данных. Затем воспроизвести аномалию на Большом адронном коллайдере — никаких
других рабочих приборов для контрольного эксперимента на Земле просто нет.
Но если эти два испытания CDF выдержит, у Стандартной модели
останется еще один шанс остаться нетронутой: если ученые поймут, что для
объяснения аномальной массы W-бозона достаточно модификации в пределах уже
существующего теоретического корпуса.
Но возможен и другой сценарий, самый неудобный — и при этом
довольно вероятный. Может так случиться, что в работе CDF ошибок не найдут, но
эксперимент на БАКе получит классический результат. И
разумного объяснения этому — что в пределах, что за пределами Стандартной
модели — сформулировать теоретики не смогут. Тогда проблема двух достоверных,
но при этом разных масс W-бозона станет для физиков еще одним «камешком в
ботинке», которые и без того никак не могут упаковать в Стандартную модель
гравитацию, массу нейтрино, темные энергию и массу.
источник - https://nplus1.ru/material/2022/04/22/w-boson-mass-trouble