Korzystając z Eksperyment LHCb w CERN naukowcy dokonali znaczącego kroku naprzód w dziedzinie fizyki precyzyjnej, przeprowadzając pierwszy dedykowany pomiar masy bozonu Z w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Osiągnięcie to pokazuje, że nawet w złożonym środowisku zderzeń proton-proton możliwe są pomiary z dokładnością porównywalną z tą, jaką dotąd osiągano jedynie w czystszych zderzaczach elektronowo-pozytonowych.
Bozon Z to jedna z podstawowych cząstek elementarnych – neutralny nośnik jądrowego oddziaływania słabego odpowiedzialnego m.in. za niektóre formy rozpadu promieniotwórczego. Przy masie około 91 miliardów elektronowoltów (GeV) należy do najcięższych znanych cząstek. Bozon Z został odkryty ponad 40 lat temu w CERN wraz z bozonem W, a jego odkrycie było jednym z kluczowych elementów wysiłków na drodze do potwierdzenia poprawności Modelu Standardowego – teorii opisującej oddziaływania cząstek elementarnych. Odkrycie to zaowocowało Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1984 roku.
Czytaj także: Zamienili ołów w złoto! Alchemicy dążyli do tego od setek lat
Dokładne pomiary masy bozonu Z są niezbędne do testowania wewnętrznej spójności Modelu Standardowego i poszukiwania ewentualnych oznak nowej fizyki wykraczającej poza jego ramy. Nowe wyniki z eksperymentu LHCb, które zostaną opublikowane w renomowanym periodyku naukowym Physical Review Letters opierają się na danych zebranych w trakcie drugiego cyklu pracy LHC w 2016 roku, podczas zderzeń protonów przy bardzo wysokich energiach.
Fizycy z LHCb przeanalizowali aż 174 000 przypadków produkcji bozonu Z, skupiając się na jego rozpadach na pary mionów. Na podstawie tych danych wyznaczono masę bozonu Z na 91 184,2 MeV z niepewnością wynoszącą zaledwie 9,5 MeV. Oznacza to precyzję na poziomie około jednej setnej procenta.
To imponujące osiągnięcie plasuje się na poziomie najlepszych dotychczas pomiarów, uzyskanych m.in. w wycofanym już z eksploatacji zderzaczu LEP w CERN oraz w eksperymencie CDF w amerykańskim zderzaczu Tevatron. Co jednak najważniejsze, wynik jest spójny z teoretycznymi przewidywaniami Modelu Standardowego, które zakładają masę bozonu Z z niepewnością wynoszącą 8,8 MeV.
Osiągnięta dokładność potwierdza, że LHCb – mimo że został zaprojektowany przede wszystkim do badań fizyki ciężkich kwarków – świetnie sprawdza się również w pomiarach precyzyjnych oddziaływań elektrosłabych. To ważny sygnał, że nawet w złożonym środowisku LHC, w którym każde zderzenie generuje ogromną liczbę cząstek, możliwe są tak precyzyjne pomiary.
Sukces ten otwiera drogę do kolejnych precyzyjnych badań właściwości bozonu Z w ramach trwającego i przyszłego programu LHC – w tym jego modernizacji do wersji High-Luminosity LHC. Trwają także analizy danych z dwóch innych głównych eksperymentów: ATLAS i CMS. Ponieważ systematyczne niepewności pomiarów różnią się między eksperymentami, ich połączenie może znacznie zwiększyć dokładność końcowego wyniku.
Współpraca LHCb postrzega ten wynik jako zapowiedź kolejnych postępów. Dzięki zwiększonej jasności wiązki w przyszłych fazach działania LHC, możliwe będzie prawdopodobnie osiągnięcie precyzji lepszej niż ta, którą zapewniał LEP – co jeszcze dekadę temu wydawało się nieosiągalne.