„Tai būtų didžiausias atradimas nuo tada, kai prieš 60 metų buvo sukurtas standartinis modelis“, – sako CERN dalelių fizikos laboratorijos netoli Ženevos (Šveicarija) darbuotojas Martijnas Muldersas, parašęs komentarą žurnalui „Science“.
Standartiniame modelyje aprašomos trys skirtingos jėgos: elektromagnetizmas, stiprioji jėga ir silpnoji jėga. Dalelės, vadinamos bozonais, tarpininkauja šioms jėgoms tarp materijos dalelių. Silpnoji jėga, atsakinga už radioaktyvųjį skilimą, kaip vieną iš savo pasiuntinų naudoja W bozoną.
W bozonas labai svarbus standartiniam modeliui – nuo 1983 m., kai jis pirmą kartą buvo pastebėtas, fizikai stengiasi vis tiksliau išmatuoti jo masę. Visi šie matavimai iš esmės sutapo tarpusavyje, o tai akivaizdžiai patvirtina standartinio modelio pagrįstumą.
Tačiau žinome, kad standartinis modelis klaidingas. Jis nepaaiškina gravitacijos, tamsiosios medžiagos ir antimedžiagos nebuvimo mūsų Visatoje – todėl fizikai nuolat ieško kitokių matavimų, kurie galėtų padėti sukurti naujas teorijas.
Dabar Duke'o universiteto Šiaurės Karolinoje mokslininkas Ashutoshas Kotwalis ir jo kolegos paskelbė naują W bozono masės matavimą – naudodami „Tevatron“ greitintuvo Ilinojaus valstijoje (JAV) duomenis nustatė, kad jo masė siekia 80,4335 gigaelektronvolto.
Visuotinai priimta W bozono masė – 80,379 gigaelektronvolto. Nors skirtumas gali pasirodyti nedidelis, naujoji vertė yra pati tiksliausia iki šiol ir prilygsta jūsų kūno svorio matavimui mažiau nei 10 gramų tikslumu.
Dar svarbiau yra tai, kad šis skirtumas tarp naujosios ir visuotinai priimtos W bozono masės vertės yra statistiškai reikšmingas – maždaug 5 sigmos, o tai atitinka maždaug 1 iš 3,5 milijono tikimybę, kad toks duomenų modelis tėra statistinis atsitiktinumas.
Fizikams 5 sigma – reikšmingumo lygmuo, leidžiantis ką nors laikyti „atradimu“, tačiau skirtumas tarp naujo masės matavimo ir standartiniame modelyje numatyto dydžio yra dar didesnis – 7 sigmos. Tai atitinka maždaug 1 iš 780 mlrd. tikimybę, kad toks rezultatas bus gautas atsitiktinai.
A.Kotwalis ir jo komanda supranta, kad pateikia neįprastą siūlymą, kuris gali pakeisti visą mums žinomą fiziką. Tačiau mokslininkas teigia, kad šio teiginio patvirtinimui atliko visus įmanomus bandymus. Pasak jo, lieka nedidelis sisteminis neapibrėžtumas, t.y. galimos eksperimentinės sąrangos klaidos, tačiau dabar atėjo laikas ir kitiems įvertinti šį rezultatą. „Mes manome, kad atsakymą galime patvirtinti, atlikę savo pačių patikrinimą“, – sako jis.
W bozono masės matavimas
Komanda išmatavo bozono masę inicijuodama protonų ir antiprotonų srautų susidūrimus ir analizuodama jų metu susidariusias daleles. Analizė buvo tokia sudėtinga, kad, 2011 m. uždarius „Tevatron“ dalelių greitintuvą, rezultatams gauti prireikė daugiau nei dešimtmečio – tačiau galima jų svarba yra milžiniška.
„Jei W bozono masė taip smarkiai nukrypsta nuo standartinio modelio ir jei įvertiname visus [sisteminius] neapibrėžtumus, tuomet tai iš tiesų yra didžiulis įvykis“, – sako Ulrikas Egede iš Monasho universiteto Australijoje.
Tas „jeigu“ yra svarbus dalykas daugeliui fizikų, kurie nors ir džiaugiasi rezultatu, tačiau atsargiai vertina jo nukrypimą nuo ankstesnių matavimų. „Pirmiausia turime suprasti [šio rezultato] ir visų kitų eksperimentų neatitikimą ir tik tada galvoti apie fizikinius paaiškinimus už standartinio modelio ribų“, – sako Matthiasas Schottas iš CERN, dirbęs prie ankstesnio W bozono matavimo, kai buvo naudojami ATLAS eksperimento duomenys, surinkti Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) iki jo uždarymo 2018 m.
Išsiaiškinti neatitikimo šaltinį – tikrai nelengva užduotis. W bozonai greitai skyla į kitas daleles – elektroną ir elektroninį neutriną arba sunkesnį miuoną ir miuoninį neutriną. Neutrinus sunku aptikti, todėl A.Kotwalas ir jo komanda analizuodami didelius duomenų kiekius turėjo išsiaiškinti, kur tiksliai jie yra. „[W bozonų masės] matavimai pripažinti vienais iš eksperimentiškai sudėtingiausių“, – sako U.Egede.
2018 m. ATLAS atliktas W bozono masės matavimas yra naujausias iki šiol, tačiau net ir jis gali ne taip jau ir žymiai prisidėti prie šios mįslės išsprendimo. A.Kotwalo teigimu, ATLAS matavime buvo naudojami du protonų srautai, todėl rezultatus sunkiau palyginti.
Jei fizikai A.Kotvalio ir jo komandos darbe netikslumų neras, kitas žingsnis bus sukurti kitą matavimą – ir tai padaryti gali padėti trys LHC eksperimentai. „Tai vienintelis greitintuvas, kurio energijos pakanka W bozonams sukurti“, – sako Kembridžo universiteto mokslininkas Harry Cliffas. Nuo 2018 m. LHC buvo išjungtas, o šiemet jau ruošiasi naujam paleidimui. M.Mulderso teigimu, anksčiau vykdyto CMS eksperimento metu surinkti duomenys gali padėti sukurti naują W bozono matavimą iki kitų metų.
Jei šis rezultatas pasitvirtins, jis turbūt būtų įrašytas į nepaaiškintų anomalijų sąrašą – tokių kaip „Miuon g-2“ eksperimento rezultatų ir LHC užfiksuotų neatitikimų, susijusių su subatominėmis dalelėmis, vadinamomis apatiniais kvarkais, kuriems paaiškinti gali prireikti naujų fizikos teorijų. Nors šiuo metu nėra aiškių pretendentų į tokią teoriją, A.Kotwalis teigia, kad kai kurie supersimetrijos variantai, kuriems reikia sukurti visiškai naują dalelių rinkinį, galėtų atitikti didesnę W bozono masę.
Nors rezultatui gauti prireikė 10 metų, A.Kotwalis sako, kad fizikai iš visų pasaulio šalių galės analizuoti duomenis, tad dar tik pradedama suprasti jų reikšmę.
„Mokslinė veikla bus tęsiama ir mes toliau apie tai galvosime“, – sako jis.
Parengta pagal „New Scientist“.
