Krzepki bozon zadziwia fizyków

W fizyce cząstek elementarnych tak już jest, że dane żyją dłużej niż detektory, z których pochodzą. Skonstruowany w amerykańskim Fermilabie akcelerator o nazwie Collider Detector (CDF) dokonał swego żywota dziesięć lat temu. Wtedy go wyłączono, a niepotrzebnych części użyto w innych eksperymentach. Nowa analiza starych danych z tego akceleratora ujawniła przedziwną rozbieżności w masie pewnej cząstki elementarnej – bozonu W – która może sugerować istnienie cząstek i oddziaływań jeszcze nieodkrytych.

Bozon W to cząstka masywna, 80 razy cięższa niż proton. Jest odpowiedzialny za niektóre rodzaje rozpadu radioaktywnego (a konkretnie rozpad beta minus – przyp. pulsara), w których neutron zostaje zastąpiony protonem. Ponieważ jego masa jest warunkowana przez masy innych cząsteczek i parametrów Modelu Standardowego – obowiązującego fundamentalnego opisu świata cząstek elementarnych i tego jak się zachowują – bozon W jest w centrum uwagi badaczy testujących trafność tej teorii.

Piłowanie nogi starej teorii

Chociaż fizycy znają masę bozonu W od dawna, to wciąż posługują się tylko przybliżeniem. Kiedy Model Standardowy zasilali danymi, otrzymywali wynik 80357 megaelektronowoltów ±6 MeV (jeden elektronowolt to energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się w próżni w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi – przyp. pulsara). Ale z nowej publikacji, ogłoszonej w czwartek na łamach magazynu „Science” wynika, że zmierzona w CDF masa bozonu W wynosi 80433,5 ±9,4 MeV.

Nowy pomiar, wykonany z niespotykaną dotąd precyzją, różni się od przewidywań Modelu Standardowego o 76,5 MeV. Chociaż może się wydawać, że to niewiele, różnica ma kolosalne znaczenie statystyczne – i prawdopodobieństwo jej przypadkowości jest znikome. Pozornie dobrze znany bozon wciąż ma wiele sekretów o świecie subatomowym. Zaskoczeni fizycy dopiero zaczynają uświadamiać sobie konsekwencje tego faktu.

„Nikt się tego nie spodziewał – mówi Martijn Mulders, fizyk eksperymentalny z CERN pod Genewą, współautor dotyczącego nowego odkrycia komentarza w „Science”. – Można się poczuć zdradzonym. Nagle ktoś odpiłował jedną z nóg podtrzymujących całą strukturę fizyki cząstek elementarnych”.

Wsadzanie palca w Model Standardowy

To właśnie zgrubny pomiar masy bozonu W pozwolił fizykom w 1990 r. przewidzieć z całkiem rozsądną precyzją masę kwarka górnego na pięć lat przed jego zaobserwowaniem. Następnie poczynili oni podobne predykcje dotyczące bozonu Higgsa – co potwierdziło się wspaniale w roku 2012. Ostatnio swoimi pomiarami w mniejszym stopniu starali się potwierdzać zalety Modelu Standardowego, a w większym – dowodzić jego słabości. Bo przecież nie uwzględnia on grawitacji, ciemnej materii, masy neutrina i wielu innych kłopotliwych zjawisk.

Wsadzanie palca w te miejsca, gdzie Model Standardowy zdaje się zawodzić, jest zdaniem naukowców najlepszym sposobem poszukiwania „nowej fizyki”. Tak nazywają jej hipotetyczną część wskazującą na istnienie bardziej fundamentalnych klocków wszechświata.

Najbardziej dotychczas obiecujące rozbieżności między pomiarem a przewidywaniami Modelu Standardowego odkryto w eksperymentach Muon g-2 przeprowadzonym w Fermilabie oraz LHCb (Large Hadron Collider beauty, jednego z siedmiu w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN).

Małych anomalii jest na pęczki, a przeważająca ich większość to tylko statystyczne fluktuacje wynikające z potężnej liczny subatomowych zdarzeń prowokowanych i rejestrowanych podczas typowych eksperymentów fizyki cząstek elementarnych. Zazwyczaj znikają one w miarę zbierania kolejnych danych. Ale odkryta właśnie anomalia jest bardziej godna uwagi, bo dostępne do tej pory informacje na temat masy bozonu W są wysokiej jakości, a teoretyczne jej przewidywania obarczone bardzo niewielką niepewnością.

Przede wszystkim zaś prace nad danymi z CDF prowadzone były z ekstremalną dbałością o szczegóły. Wyeliminowano też możliwość wpływu na wynik czynnika ludzkiego. Fizycy analizujący dane utrzymywani byli w stanie niewiedzy na temat ostatecznych rezultatów aż do samego końca pracy. Kiedy w listopadzie 2020 r. efekty zostały ogłoszone, „nastąpił moment oszałamiającej ciszy” – jak mówi Ashutosh Kotwal, jeden z autorów publikacji.

Od tamtego czasu wyniki poddawane były kolejnym ocenom i recenzjom. Oznacza to jednak tylko tyle, że fizycy przyłożyli się do swojej roboty, a nie że znaleźli nową fizykę.

Wezwanie do dociekań

Żeby zmierzyć masę bozonu, najpierw trzeba zbudować zderzacz cząstek. Tevatron, akcelerator działający w latach 1983–2011, był długą na ponad 6 km pętlą, wewnątrz której zderzano protony z antyprotonami (…). Zainstalowany w nim eksperyment CDF szukał śladów bozonu W od 2002 r. aż do chwili zamknięcia Tevatronu.

Niestety bozonu W nie da się zaobserwować bezpośrednio – rozpada się na inne cząstki zbyt szybko, by mógł to zarejestrować jakikolwiek detektor. Fizycy muszą więc snuć przypuszczenia na temat jego istnienia, przyglądając się produktom rozpadu – głównie elektronom i mionom. Liczyli dokładnie i doliczyli się w danych ok. 4 mln zdarzeń, które można przypisać rozpadowi bozonu W. Mierząc odpowiadające im energie kroczyli wstecz – szukając początkowej masy bozonu W.

„Praca trwała całą dekadę z powodu rozmaitych niepewności związanych z danymi” – mówi Kotwal. Aby osiągnąć nieosiągalną do tej pory dokładność – dwukrotną precyzję wcześniejszego pomiaru masy bozonu W, dokonanego podczas projektu ATLAS w CERN – badacze z CDF wykorzystali czterokrotnie większą bazę danych i zastosowali nowe techniki ich analizy.

To właśnie dzięki temu osiągnięto wyjątkową precyzję, w języku statystyki wyrażoną jako siedem sigma. Oznacza to, że jeśli na bozon W nie ma wpływu nowa fizyka, zaobserwowane (lub większe) rozbieżności pojawiałyby się na skutek czystego przypadku raz na każde 800 mld przeprowadzonych eksperymentów. Nawet w świecie cząstek elementarnych, w której astronomiczne liczby są normą, jest to imponujące. Złotym standardem wiarygodności statystycznej jest pięć sigma, co odpowiada sytuacji, w której dany wynik pojawia się przypadkowo raz na 3,5 mln przebiegów eksperymentu.

Jednakże wynik osiągnięty przez badaczy z CDF nie oznacza 99,999999999 proc. szans, że nowa fizyka jest faktem. Nie oznacza nawet, że inne pomiary masy bozonu W są błędne. Sygnalizuje raczej, że cokolwiek dostrzeżono w CDF, nie jest to wynikiem przypadku. To wezwanie do dalszych dociekań, nie do formułowania konkluzji.

Śledzenie zbiegłego bozonu

Żeby wyznaczyć źródło anomalii, konieczne jest potwierdzenie płynące z innych eksperymentów. „Ale i tak jest to niezwykle spektakularny wynik – mówi Guillaume Unal z ATLAS, nie związany z nowymi badaniami. Bardzo się przyda do precyzyjnego testowania poprawności Modelu Standardowego”. Uczestnicy eksperymentu ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, jeden z detektorów akceleratora cząstek LHC w ośrodku CERN – przyp. pulsara) podnoszą w tej chwili dokładność własnych pomiarów masy bozonu W. Dane uzyskane podczas drugiej fazy pracy LHC, która zakończyła się w 2018 r., zdaniem Unala pozwolą – być może – zbliżyć się do precyzji CDF.

Tymczasem teoretycy już rzucają się na nowe wyniki, by generować niezliczone ich wyjaśnienia. LHC wyeliminował z gry wiele permutacji supersymetrii (SUSY) – zestawu teorii postulujących, że każdej cząstce odpowiada „supercząstka”, ale sprawcą zmiany masy bozonu W może być istnienie stosunkowo lekkich cząstek supersymetrycznych.

To nie koniec pracy – trzeba przecież poddać upewnić się, że wyniki są poprawne i dokładne. „Napędza nas detektywistyczny charakter tej roboty – mówi Kotwal. – Ślady wciąż gdzieś tam są… To jak być Sherlockiem Holmesem. Człowieka już nie ma, ale widzimy odciski jego butów”.

Tekst ukazał się na łamach sciam.com 7 kwietnia 2022 roku.
Oryginalny tytuł: Elementary Particle’s Unexpected Heft Stuns Physicists
Tytuł polski, lead, śródtytuły i skróty pochodzą od redakcji pulsara.
Tłumaczenie: kj/pulsar