Вид на событие столкновения ATLAS, в котором кандидат W-бозон распадается на мюон и нейтрино. Восстановленные треки заряженных частиц во внутренней части детектора ATLAS показаны оранжевыми линиями. Запасы энергии в калориметрах детектора показаны желтыми прямоугольниками. Идентифицированный мюон показан красной линией. Недостающий поперечный импульс, связанный с нейтрино, показан зеленой пунктирной линией.
Фото: АТЛАС/ЦЕРН.

Открытие бозона Хиггса в 2012 году стало последней недостающей частью головоломки Стандартной модели. Тем не менее, это оставило нерешенные вопросы. Что лежит за этими рамками? Где же новые явления, которые могли бы раскрыть оставшиеся загадки Вселенной, такие как природа темной материи и происхождение асимметрии материи-антиматерии?

Одним из параметров, который может дать ключ к разгадке новых физических явлений, является «ширина» W-бозона, носителя электрического заряда слабого взаимодействия. Ширина частицы напрямую связана с ее временем жизни и описывает, как она распадается на другие частицы. Если W-бозон распадется неожиданным образом, например, на еще не открытые новые частицы, это повлияет на измеренную ширину.

Поскольку Стандартная модель точно предсказывает ее значение на основе силы заряженного слабого взаимодействия и массы W-бозона (наряду с меньшими квантовыми эффектами), любое значительное отклонение от предсказания будет указывать на наличие неучтенных явлений.

В новом исследовании, опубликованном на сервере препринтов arXiv, коллаборация ATLAS впервые измерила ширину W-бозона на Большом адронном коллайдере (LHC). Ширина W-бозона ранее была измерена на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) ЦЕРН и Тэватронном коллайдере Фермилабы, что дало среднее значение 2085 ± 42 миллиона электронвольт (МэВ), что соответствует предсказанию Стандартной модели 2088 ± 1 МэВ.

Используя данные протон-протонных столкновений при энергии 7 ТэВ, собранные во время первого запуска БАКа, ATLAS измерил ширину W-бозона как 2202 ± 47 МэВ. На сегодняшний день это самое точное измерение, полученное в ходе одного эксперимента, и, хотя оно немного больше, оно согласуется с предсказаниями Стандартной модели с точностью до 2,5 стандартных отклонений.

Этот замечательный результат был достигнут путем проведения детального анализа импульса частиц при распаде W-бозона на электрон или мюон и соответствующее ей нейтрино, которое остается незамеченным, но оставляет след недостающей энергии в событии столкновения (см. изображение выше). Это потребовало от физиков точно откалибровать реакцию детектора ATLAS на эти частицы с точки зрения эффективности, энергии и импульса, принимая во внимание вклад фоновых процессов.

Однако достижение такой высокой точности также требует слияния нескольких высокоточных результатов. Например, было важно точное понимание образования W-бозона в протон-протонных столкновениях , и исследователи полагались на комбинацию теоретических предсказаний, подтвержденных различными измерениями свойств W- и Z-бозонов.

Также решающее значение для этого измерения имеет знание внутренней структуры протона, которая описывается партонными функциями распределения. Физики ATLAS включили и протестировали функции распределения партонов, полученные глобальными исследовательскими группами на основе данных широкого спектра экспериментов по физике элементарных частиц.

Коллаборация ATLAS измерила ширину W-бозона одновременно с массой W-бозона, используя статистический метод, который позволил напрямую ограничить часть параметров, определяющих количественные неопределенности, из измеренных данных, тем самым повысив точность измерений.

Обновленное измерение массы W-бозона составляет 80367 ± 16 МэВ, что улучшает и заменяет предыдущее измерение ATLAS с использованием того же набора данных. Измеренные значения массы и ширины согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Ожидается, что будущие измерения ширины и массы W-бозона с использованием более крупных наборов данных ATLAS уменьшат статистические и экспериментальные неопределенности. Одновременно прогресс в теоретических предсказаниях и более четкое понимание функций распределения партонов помогут уменьшить теоретические неопределенности. Поскольку их измерения станут еще более точными, физики смогут проводить еще более строгие испытания Стандартной модели и исследовать новые частицы и силы.