Bozon W jest jedną z najważniejszych cząstek elementarnych w Modelu Standardowym – teorii opisującej fundamentalne cząstki i siły rządzące kosmosem. Pełni on rolę nośnika oddziaływania słabego, czyli jednej z czterech podstawowych sił natury (obok grawitacji, elektromagnetyzmu i oddziaływania silnego). To właśnie dzięki oddziaływaniu słabemu możliwe są przemiany cząstek, takie jak zamiana protonów w neutrony i odwrotnie.
Proces ten ma kolosalne znaczenie dla istnienia życia i wszechświata w formie, jaką znamy. Napędza on rozpad radioaktywny oraz, co niezwykle istotne, proces fuzji jądrowej zachodzący we wnętrzu Słońca. Bez bozonu W nasza gwiazda nie mogłaby produkować energii, a pierwiastki niezbędne do budowy planet i organizmów żywych nigdy by nie powstały. Nic więc dziwnego, że poznanie dokładnych właściwości tej cząstki, w tym jej masy, jest dla fizyków priorytetem.
Kontrowersja, która mogła zburzyć fizykę
Zainteresowanie masą bozonu W wzrosło gwałtownie w 2022 roku, kiedy to zespół eksperymentu CDF w laboratorium Fermilab w USA opublikował wyniki sugerujące, że cząstka ta jest znacznie cięższa, niż przewiduje Model Standardowy. Różnica, choć wydawała się niewielka w skali makroskopowej, w świecie mechaniki kwantowej była prawdziwym trzęsieniem ziemi. Sugerowała ona istnienie “nowej fizyki” – nieznanych wcześniej sił lub cząstek, które wpływają na masę bozonu W.
Czytaj także: Bozon Higgsa to dopiero początek odkryć w CERN. Nowa technologia zmieni fizykę na zawsze
Wynik z Fermilab postawił społeczność naukową w stan gotowości. Konieczne stało się przeprowadzenie niezależnego, równie precyzyjnego pomiaru, aby zweryfikować te doniesienia. Zadania tego podjął się zespół pracujący przy detektorze CMS (Compact Muon Solenoid), znajdującym się przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Analiza miliarda kolizji
Nowy pomiar, opublikowany właśnie na łamach prestiżowego czasopisma Nature, jest owocem ponad dekady pracy ponad 3000 naukowców z całego świata. Fizycy przeanalizowali dane z miliardów zderzeń protonów, do których doszło wewnątrz LHC w 2016 roku. Wielki Zderzacz Hadronów rozpędza protony do prędkości bliskich prędkości światła, a ich kolizje tworzą gwałtowny prysznic nowych cząstek, wśród których sporadycznie pojawia się bozon W.
Chwytanie bozonu W jest jednak zadaniem karkołomnym. Cząstka ta istnieje przez niewyobrażalnie krótki czas – około jednej septylionowej części sekundy (10^-24 s) – po czym rozpada się na inne cząstki. W badaniu CMS skupiono się na przypadkach, w których bozon W rozpadał się na mion oraz neutrino. O ile mion zostawia wyraźny ślad w detektorze, o tyle neutrino jest niemal niewykrywalne. Naukowcy musieli więc z ogromną precyzją zmierzyć właściwości mionu i na tej podstawie zrekonstruować masę “rodzica”, czyli bozonu W.
Wynik, który przywraca porządek
Po przeprowadzeniu skomplikowanych symulacji komputerowych, obejmujących cztery miliardy scenariuszy zderzeń, naukowcy ogłosili ostateczny wynik. Masa bozonu W wynosi 80 360,2 ± 9,9 MeV (megaelektronowoltów). Jest to najdokładniejszy pomiar, jakiego kiedykolwiek dokonano za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Czytaj także: Najdokładniejszy pomiar bozonu Z w historii LHC właśnie ogłoszony. Fizycy nie spodziewali się takich rezultatów
Co najważniejsze, wynik ten jest w pełni zgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego. Nowe dane sugerują, że wcześniejsza, anomalna wartość z Fermilab mogła wynikać z subtelnych błędów systematycznych lub niekompletnych modeli statystycznych, a nie z rewolucji w prawach natury. Dla wielu fizyków informacja ta przyniosła ulgę. Model Standardowy, mimo że wiemy, iż nie jest teorią wszystkiego (nie wyjaśnia m.in. ciemnej materii czy grawitacji), po raz kolejny okazał się niezwykle solidnym opisem rzeczywistości.
Co dalej z badaniami w CERN?
Mimo że nowy wynik “ratuje” Model Standardowy, naukowcy nie zamierzają spoczywać na laurach. “To wielka ulga móc potwierdzić, że nasze teorie są poprawne, ale to nie koniec drogi” – podkreślają autorzy badania z MIT. Planowane są już kolejne analizy, wykorzystujące dane zebrane w późniejszych latach działania LHC, co pozwoli na jeszcze większe zawężenie marginesu błędu.
Dalsze badania bozonu W są kluczowe, ponieważ precyzyjne określenie jego masy pozwala lepiej zrozumieć powiązania między różnymi cząstkami elementarnymi, takimi jak bozon Higgsa czy kwark t (top). Fizyka cząstek elementarnych przypomina układanie gigantycznej układanki – każdy precyzyjny pomiar, taki jak ten wykonany przez zespół CMS, sprawia, że obraz wszechświata staje się coraz wyraźniejszy, nawet jeśli na horyzoncie wciąż nie widać przełomu, który wykraczałby poza znane nam schematy.
