Nakon neočekivanog merenja detektorom kolajdera u eksperimentu Fermilab (CDF) 2022. godine, fizičari na eksperimentu kompaktnog mionskog solenoida (CMS) na Velikom hadronskom sudaraču (LHC) objavili su danas novo merenje mase V bozona, jedne od prirodnih sila.
Ovo novo merenje, koje je prvo za CMS eksperiment, koristi novu tehniku koja ga čini najsloženijim istraživanjem mase V bozona do sada. Nakon skoro decenije analize, CMS je otkrio da je masa V bozona u skladu sa predviđanjima, konačno stavljajući na kraj višegodišnju misteriju.
Konačna analiza koristila je 300 miliona događaja prikupljenih od LHC-a iz 2016. i 4 milijarde simuliranih događaja. Iz ovog skupa podataka, tim je rekonstruisao, a zatim izmerio masu od više od 100 miliona V bozona.
Otkrili su da je masa V bozona 80,360,2 ± 9,9 megaelektron volti (MeV), što je u skladu sa predviđanjima Standardnog modela od 80,357 ± 6 MeV. Takođe su sproveli posebnu analizu koja unakrsnu proveru teoretskih pretpostavki.
„Novi CMS rezultat je jedinstven zbog svoje preciznosti i načina na koji smo utvrdili nesigurnosti“, rekla je Peti Mekbrajd, ugledni naučnik u Nacionalnoj istraživačkoj laboratoriji Fermi Ministarstva energetike SAD i bivši portparol CMS-a.
„Naučili smo mnogo od CDF-a i drugih eksperimenata koji su radili na pitanju mase V bozona. Stojimo na njihovim ramenima, i to je jedan od razloga zašto smo u mogućnosti da ovu studiju napravimo veliki korak napred. “
Otkako je V bozon otkriven 1983. godine, fizičari su u 10 različitih eksperimenata izmerili njegovu masu.
V bozon je jedan od kamena temeljaca Standardnog modela, teorijskog okvira koji opisuje prirodu na njenom najosnovnijem nivou. Precizno razumevanje mase V bozona omogućava naučnicima da mapiraju međusobnu igru čestica i sila, uključujući snagu Higsovog polja i stapanje elektromagnetizma sa slabom silom, koja je odgovorna za radioaktivni raspad.
„Čitav univerzum je delikatan čin balansiranja“, rekao je Anadi Canepa, zamenik portparola CMS eksperimenta i viši naučnik u Fermilabu. „Ako je V masa drugačija od onoga što očekujemo, moglo bi doći do novih čestica ili sila u igri.“
Novo CMS merenje ima preciznost od 0,01%. Ovaj nivo preciznosti odgovara merenju olovke dugačke 4 inča na između 3,9996 i 4,0004 inča. Ali za razliku od olovaka, V bozon je fundamentalna čestica bez fizičke zapremine i mase koja je manja od jednog atoma srebra.
„Ovo merenje je izuzetno teško napraviti“, dodao je Canepa. „Potrebno nam je više merenja iz više eksperimenata da bismo unakrsno proverili vrednost.“
CMS eksperiment je jedinstven od drugih eksperimenata koji su izvršili ovo merenje zbog svog kompaktnog dizajna, specijalizovanih senzora za osnovne čestice zvane mioni i izuzetno jakog magneta solenoida koji savija putanje naelektrisanih čestica dok se kreću kroz detektor.
„Dizajn CMS-a ga čini posebno pogodnim za precizna merenja mase“, rekao je McBride. „To je eksperiment sledeće generacije.“
Pošto je većina fundamentalnih čestica neverovatno kratkog veka, naučnici mere njihove mase sabiranjem masa i impulsa svega na šta se raspadaju. Ova metoda dobro funkcioniše za čestice kao što je Z bozon, rođak V bozona, koji se raspada na dva miona. Ali V bozon predstavlja veliki izazov jer je jedan od njegovih proizvoda raspada mala fundamentalna čestica koja se zove neutrino.
„Neutrine je veoma teško izmeriti“, rekao je Džoš Bendavid, naučnik sa Tehnološkog instituta u Masačusetsu koji je radio na ovoj analizi. „U eksperimentima sudarača, neutrino ostaje neotkriven, tako da možemo da radimo samo sa polovinom slike.“
Rad sa samo polovinom slike znači da fizičari moraju da budu kreativni. Pre nego što su pokrenuli analizu stvarnih eksperimentalnih podataka, naučnici su prvo simulirali milijarde LHC sudara.
„U nekim slučajevima smo čak morali da modelujemo male deformacije u detektoru“, rekao je Bendavid. „Preciznost je dovoljno visoka da nam je stalo do malih krivina i krivina; čak i ako su male kao širina ljudske kose.
Fizičarima su takođe potrebni brojni teorijski podaci, kao što su šta se dešava unutar protona kada se sudare, kako se proizvodi V bozon i kako se kreće pre nego što se raspadne.
„Prava je umetnost shvatiti uticaj teorijskih inputa“, rekao je Mekbrajd.
U prošlosti su fizičari koristili Z bozon kao zamjenu za V bozon dok su kalibrirali svoje teorijske modele. Iako ova metoda ima mnoge prednosti, ona takođe dodaje sloj nesigurnosti u proces.
„Z i V bozoni su braća i sestre, ali ne i blizanci“, rekla je Elisabetta Manca, istraživač sa Kalifornijskog univerziteta u Los Anđelesu i jedan od analizatora. „Fizičari treba da naprave nekoliko pretpostavki kada ekstrapoliraju sa Z na V, a ove pretpostavke su još uvek u diskusiji.
Da bi smanjili ovu nesigurnost, istraživači CMS-a razvili su novu tehniku analize koja koristi samo stvarne podatke o V bozonu da bi ograničila teorijske inpute.
„Uspeli smo da to uradimo efikasno zahvaljujući kombinaciji većeg skupa podataka, iskustvu koje smo stekli iz ranije studije V bozona i najnovijim teorijskim dostignućima“, rekao je Bendavid. „Ovo nam je omogućilo da se oslobodimo Z bozona kao naše referentne tačke.“
Kao deo ove analize, oni su takođe ispitali 100 miliona tragova od raspada dobro poznatih čestica kako bi ponovo kalibrirali masivni deo CMS detektora dok nije bio za red veličine precizniji.
„Ovaj novi nivo preciznosti omogućiće nam da se pozabavimo kritičnim merenjima, kao što su ona koja uključuju V, Z i Higs bozon, sa povećanom preciznošću“, rekao je Manca.
Najizazovniji deo analize bila je njena vremenska intenzivnost, jer je zahtevala stvaranje nove tehnike analize i razvijanje neverovatno dubokog razumevanja CMS detektora.
„Ovo istraživanje sam započela kao letnji student, a sada sam na trećoj godini postdoktorata“, rekla je Manca. „To je maraton, a ne sprint.“
