Эксперимент ATLAS в ЦЕРН. 
Кредит: ЦЕРН

Связывание кварков в протоны, нейтроны и атомные ядра — это сила настолько мощная, что это указано в названии. Сильное взаимодействие, переносимое глюонными частицами, является сильнейшим из всех фундаментальных сил природы (остальные силы — это электромагнетизм, слабое взаимодействие и гравитация). Тем не менее, из этих четырех сил она наименее точно измеряется.

В статье, только что отправленной в Nature Physics и в настоящее время доступной на сервере препринтов arXiv , коллаборация ATLAS описывает, как она использовала Z-бозон, электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия, для определения силы сильного взаимодействия с беспрецедентной неопределенностью — ниже 1%.

Сила сильного взаимодействия описывается фундаментальным параметром Стандартной модели физики элементарных частиц, называемым константой сильной связи. Хотя знания о константе сильной связи улучшились благодаря измерениям и теоретическим разработкам, сделанным за прошедшие годы, неопределенность ее значения остается на порядки большей, чем неопределенность констант связи для других фундаментальных сил.

Более точное измерение константы сильной связи необходимо для повышения точности теоретических расчетов процессов частиц, в которых участвует сильное взаимодействие. Также необходимо ответить на важные вопросы о природе, остающиеся без ответа. Могут ли все фундаментальные силы иметь одинаковую силу при очень высокой энергии, что указывает на потенциальное общее происхождение? Могут ли новые, неизвестные взаимодействия модифицировать сильное взаимодействие в определенных процессах или при определенных энергиях?

В своем новом исследовании константы сильной связи коллаборация ATLAS исследовала Z-бозоны, образующиеся в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере (LHC) ЦЕРН при энергии столкновения 8 ТэВ. Z-бозоны обычно образуются при аннигиляции двух кварков в сталкивающихся протонах. В этом процессе слабого взаимодействия сильное взаимодействие вступает в действие через излучение глюонов аннигилирующими кварками.

Это излучение дает Z-бозону «толчок» поперек оси столкновения (поперечный импульс). Величина этого удара зависит от константы сильной связи. Точное измерение распределения поперечных импульсов Z-бозона и сравнение со столь же точными теоретическими расчетами этого распределения позволяют определить константу сильной связи.

В новом анализе команда ATLAS сосредоточилась на тщательно выбранных распадах Z-бозона на два лептона (электроны или мюоны) и измерила поперечный импульс Z-бозона через продукты его распада. Сравнение этих измерений с теоретическими предсказаниями позволило исследователям точно определить константу сильной связи в масштабе масс Z-бозона, равную 0,1183 ± 0,0009.

При относительной неопределенности всего 0,8% результат представляет собой наиболее точное определение силы сильного взаимодействия, сделанное в рамках одного эксперимента на сегодняшний день. Это согласуется с текущими мировыми средними значениями экспериментальных определений и современных расчетов, известных как решеточная квантовая хромодинамика (см. Рисунок ниже).

Новое значение константы сильной связи ATLAS по сравнению с другими измерениями. 
Фото: АТЛАС/ЦЕРН.

Эта рекордная точность была достигнута благодаря как экспериментальным, так и теоретическим достижениям. Что касается экспериментов, физики ATLAS достигли детального понимания эффективности обнаружения и калибровки импульса двух электронов или мюонов, возникающих в результате распада Z-бозона, что привело к точности импульса от 0,1% до 1%.

Что касается теоретической стороны, исследователи ATLAS использовали, среди прочего, передовые расчеты процесса образования Z-бозона, которые учитывают до четырех «петлей» квантовой хромодинамики. Эти циклы отражают сложность вычислений с точки зрения сопутствующих процессов. Добавление большего количества циклов увеличивает точность.

«Сила сильного ядерного взаимодействия является ключевым параметром Стандартной модели, однако она известна только с точностью до процента. Для сравнения: электромагнитное взаимодействие, которое в 15 раз слабее сильного взаимодействия при энергии, измеренной с помощью БАК известен с точностью выше одной миллиардной», — говорит физик ЦЕРН Стефано Камарда, член аналитической группы.

«То, что мы теперь измерили силу сильной силовой связи с точностью 0,8%, является впечатляющим достижением. Это демонстрирует способность БАКа и эксперимента ATLAS расширить границы точности и улучшить наше понимание природы».