Povezivanje kvarkova u protone, neutrone i atomska jezgra je sila toliko jaka, da je u imenu. Jaka sila, koju nose čestice gluona, je najjača od svih fundamentalnih sila prirode – druge su elektromagnetizam, slaba sila i gravitacija. Ipak, to je najmanje precizno izmereno od ove četiri sile.
U radu koji je upravo dostavljen Nature Physics i koji je trenutno dostupan na arXiv serveru za preprint, ATLAS saradnja opisuje kako je koristila Z bozon, električno neutralni nosilac slabe sile, da odredi snagu jake sile sa neizvesnošću bez presedana. ispod 1%.
Jačina jake sile je opisana osnovnim parametrom u Standardnom modelu fizike čestica koji se naziva konstanta jake sprege. Dok se znanje o konstanti jake sprege poboljšalo merenjima i teorijskim razvojem tokom godina, nesigurnost njene vrednosti ostaje za redove veličine veća od one konstante sprege za druge fundamentalne sile.
Preciznije merenje konstante jake sprege je potrebno da bi se poboljšala preciznost teorijskih proračuna procesa čestica koji uključuju jaku silu. Takođe je potrebno da se odgovori na važna pitanja o prirodi bez odgovora. Da li bi sve osnovne sile mogle biti jednake snage pri veoma visokoj energiji, što ukazuje na potencijalno zajedničko poreklo? Da li bi nove, nepoznate interakcije mogle da modifikuju jaku silu u određenim procesima ili pri određenim energijama?
U svojoj novoj studiji o konstanti jakog spajanja, ATLAS saradnja je istraživala Z bozone nastale u sudarima protona i protona na CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču (LHC) pri energiji sudara od 8 TeV. Z bozoni se obično proizvode kada se dva kvarka u sudarajućim protonima anihiliraju. U ovom procesu slabe interakcije, jaka sila dolazi u igru kroz zračenje gluona sa kvarkova koji uništavaju.
Ovo zračenje daje Z bozonu „udarac“ poprečno na osu sudara (poprečni impuls). Veličina ovog udarca zavisi od konstante jake sprege. Precizno merenje distribucije transverzalnih impulsa Z-bozona i poređenje sa jednako preciznim teorijskim proračunima ove raspodele omogućavaju određivanje konstante jake sprege.
U novoj analizi, ATLAS tim se fokusirao na čisto odabrane raspade Z-bozona na dva leptona (elektrona ili miona) i izmerio poprečni impuls Z-bozona preko njegovih proizvoda raspada. Poređenje ovih merenja sa teorijskim predviđanjima omogućilo je istraživačima da precizno odrede konstantu jakog spajanja na skali mase Z-bozona na 0,1183 ± 0,0009.
Sa relativnom nesigurnošću od samo 0,8%, rezultat je najpreciznije određivanje jačine jake sile izvršeno jednim eksperimentom do sada. Ona se slaže sa trenutnim svetskim prosekom eksperimentalnih određivanja i najsavremenijih proračuna poznatih kao kvantna hromodinamika rešetke (pogledajte sliku ispod).
Ova rekordna preciznost postignuta je zahvaljujući i eksperimentalnom i teorijskom napretku. Sa eksperimentalne strane, fizičari ATLAS-a su postigli detaljno razumevanje efikasnosti detekcije i kalibracije momenta dva elektrona ili miona koji potiču od raspada Z-bozona, što je rezultiralo preciznošću impulsa u rasponu od 0,1% do 1%.
Sa teorijske strane, istraživači ATLAS-a su koristili, između ostalih sastojaka, najsavremenije proračune procesa proizvodnje Z-bozona koji uzimaju u obzir do četiri „petlje“ u kvantnoj hromodinamici. Ove petlje predstavljaju složenost proračuna u smislu procesa koji doprinose. Dodavanje više petlji povećava preciznost.
„Snaga jake nuklearne sile je ključni parametar Standardnog modela, ali je poznata samo sa preciznošću na nivou procenta. Poređenja radi, elektromagnetna sila, koja je 15 puta slabija od jake sile na energiji koju je ispitao LHC, poznat je sa preciznošću boljom od jednog dela u milijardu“, kaže fizičar CERN-a Stefano Kamarda, član tima za analizu.
„To što smo sada izmerili snažnu snagu spajanja sila na nivou preciznosti od 0,8% je spektakularno dostignuće. To pokazuje moć LHC-a i eksperimenta ATLAS da pomerimo granicu preciznosti i poboljšamo naše razumevanje prirode.“
