Высокоточное измерение массы W-бозона с помощью эксперимента CMS
Сложность эксперимента заключается в том, что W-бозон существует ничтожно малое мгновение, примерно от 10⁻⁶ до 10⁻²⁴ секунд. После он распадается на нейтрино, которое невозможно измерить напрямую, и мюон, который требует максимально точного измерения. В статье, опубликованной в журнале Nature, международная группа ученых, в которую входят физики из Массачусетского технологического института, сообщает о новом сверхточном измерении массы W-бозона. В итоге было определено, что масса W-бозона составляет 80360,2 ± 9,9 мегаэлектронвольт (МэВ). Новая масса соответствует предсказаниям Стандартной модели.
Рис. Измерение массы W-бозона. Источник: arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2412.13872
В работе ученые использовали эксперимент Compact Muon Solenoid (CMS) — детектор частиц на Большом адронном коллайдере, который точно отслеживает мюоны и другие частицы, образующиеся после столкновений протонов. На основе миллиардов столкновений протонов было выявлено 100 миллионов событий, в результате которых W-бозон распадался на мюон и нейтрино. Чтобы точно определить массу, для каждого из этих событий был проведён детальный анализ.
При распаде W-бозона мюон уносит половину его массы, которая преобразуется в импульс, уносящий мюон от места первоначального столкновения. Из-за сильного магнитного поля внутри детектора CMS электрически заряженный мюон движется по траектории, кривизна которой зависит от его импульса. Задача ученых состоит в том, чтобы отследить траекторию мюона и каждое его взаимодействие с другими частицами и окружающей средой, чтобы оценить его начальный импульс. Но на импульс мюона также влияет импульс W-бозона до его распада. Расшифровка влияния движения W-бозона на эффекты его массы представляла собой серьезную проблему.
Чтобы определить массу W-бозона, учёные сначала провели моделирование всех возможных сценариев, которые мог бы пережить мюон после столкновения протонов в хаотической среде ускорителя. В общей сложности было создано 4 миллиарда подобных смоделированных событий.
После анализа измерения CMS мюонов, образовавшихся в результате более чем 100 миллионов событий с участием W-бозона, физики наложили эти данные на свои модели импульса мюона, которые затем преобразовали в новую массу W-бозона.
В исследовании приняли участие более 3000 членов коллаборации CMS ЦЕРН. В основную группу, работавшую над новыми измерениями, вошли около 30 ученых из 10 учреждений, возглавляемые командой из Массачусетского технологического института (MIT).
