همکاری CDF در Fermilab دقیق ترین اندازه گیری جرم بوزون W را تا به امروز اعلام می کند که با مدل استاندارد در تضاد است.

نیوزویز – پس از 10 سال تجزیه و تحلیل و راستی آزمایی دقیق، دانشمندان از همکاری CDF در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی وزارت انرژی ایالات متحده امروز اعلام کردند که به دقیق ترین اندازه گیری تا به امروز از جرم بوزون W، یکی از انرژی های طبیعت دست یافته اند. – حامل نیروهای ذرات دانشمندان با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط آشکارساز برخورددهنده در Fermilab یا CDF، جرم ذره را تا ۰.۰۱ درصد تعیین کرده‌اند – دو برابر دقیق‌تر از بهترین اندازه‌گیری قبلی. این مربوط به اندازه گیری وزن یک گوریل 800 پوندی تا 1.5 اونس است.

اندازه گیری دقیق جدید که در مجله Science منتشر شده است، به دانشمندان اجازه می دهد تا مدل استاندارد فیزیک ذرات را آزمایش کنند، چارچوب نظری که طبیعت را در اساسی ترین سطح آن توصیف می کند. نتیجه: مقدار جرم جدید تنش را با مقداری که دانشمندان با استفاده از داده های تجربی و نظری در چارچوب مدل استاندارد به دست می آورند، نشان می دهد.

آشوتوش وی کوتوال از دانشگاه دوک، که رهبری این تجزیه و تحلیل را بر عهده داشت و یکی از 400 دانشمند در همکاری CDF است، گفت: «تعداد اصلاحات و بررسی‌های اضافی که در نتیجه ما انجام شد بسیار زیاد است. “ما درک بهبود یافته خود از آشکارساز ذرات خود و همچنین پیشرفت در درک نظری و تجربی از برهمکنش‌های بوزون W با ذرات دیگر را در نظر گرفتیم. وقتی در نهایت نتیجه را فاش کردیم، متوجه شدیم که با پیش‌بینی مدل استاندارد متفاوت است.

در صورت تایید، این اندازه گیری نیاز بالقوه به بهبودهای محاسبه مدل استاندارد یا توسعه مدل را نشان می دهد.

مقدار جدید با بسیاری از اندازه‌گیری‌های قبلی جرم بوزون W مطابقت دارد، اما برخی اختلاف نظرها نیز وجود دارد. اندازه گیری های آینده برای روشن شدن بیشتر نتیجه مورد نیاز خواهد بود.

جو لایکن معاون مدیر Fermilab گفت: “اگرچه این یک نتیجه جالب است، اما اندازه گیری قبل از تفسیر کامل باید توسط آزمایش دیگری تایید شود.”

بوزون W یک ذره پیام رسان نیروی هسته ای ضعیف است. مسئول فرآیندهای هسته ای است که باعث می شود خورشید بتابد و ذرات تجزیه شوند. با استفاده از برخورد ذرات پرانرژی تولید شده توسط برخورد دهنده Tevatron در Fermilab، همکاری CDF مقادیر زیادی از داده های حاوی بوزون های W را از سال 1985 تا 2011 جمع آوری کرد.

کریس هیز، فیزیکدان CDF از دانشگاه آکسفورد، گفت: اندازه‌گیری CDF برای سال‌ها انجام می‌شود، با مقدار اندازه‌گیری شده تا زمانی که رویه‌ها به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفتند، از تحلیلگران پنهان مانده بود. وقتی ارزش را کشف کردیم، شگفت‌انگیز بود.»

جرم یک بوزون W حدود 80 برابر جرم یک پروتون یا تقریباً 80000 MeV/c است.². محققان CDF بیش از 20 سال است که برای دستیابی به اندازه گیری های دقیق تر از جرم بوزون W کار می کنند. مقدار مرکزی و عدم قطعیت آخرین اندازه گیری جرم آنها 80433 +/- 9 MeV/c است.². این نتیجه از کل مجموعه داده های جمع آوری شده توسط برخورد دهنده Tevatron در Fermilab استفاده کرد. این بر اساس مشاهده 4.2 میلیون کاندید بوزون W است که تقریباً چهار برابر تعداد مورد استفاده در آن است تجزیه و تحلیل این همکاری که در سال 2012 منتشر شد.

جورجیو چیارلی، یکی از نویسندگان CDF، مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا (INFN-Pisa) گفت: «تعداد بسیاری از آزمایش‌های برخورددهنده منجر به اندازه‌گیری جرم بوزون W در 40 سال گذشته شده است. “اینها اندازه گیری های چالش برانگیز و پیچیده ای هستند و به دقت بیشتری دست یافته اند. سال ها طول کشید تا همه جزئیات و بررسی های لازم را انجام دهیم. این قوی ترین اندازه گیری ما تا به امروز است و اختلاف بین مقادیر اندازه گیری شده و مورد انتظار همچنان ادامه دارد.”

این همکاری همچنین نتایج خود را با بهترین مقدار تخمین زده شده برای جرم بوزون W با استفاده از مدل استاندارد مقایسه کرد که 6 ± 80357 مگا الکترون ولت بر سانتی‌گر است.². این مقدار بر اساس محاسبات پیچیده مدل استاندارد است که به طور پیچیده جرم بوزون W را به اندازه‌گیری جرم دو ذره دیگر مرتبط می‌کند: کوارک بالایی که در برخورددهنده Tevatron در Fermilab در سال 1995 کشف شد و بوزون هیگز کشف شده در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن در سال 2012.

سخنگوی CDF دیوید توبک از دانشگاه A&M تگزاس گفت که این نتیجه سهم مهمی در آزمایش دقت مدل استاندارد است. وی افزود: «اکنون بر عهده جامعه فیزیک نظری و آزمایش‌های دیگر است که این موضوع را پیگیری کرده و این راز را روشن کنند.» “اگر تفاوت بین مقدار آزمایشی و مورد انتظار به دلیل برخی ذرات جدید یا برهمکنش زیراتمی باشد، که یک احتمال است، احتمال زیادی وجود دارد که این چیزی باشد که در آزمایش‌های آینده قابل تشخیص باشد.”

همکاری CDF شامل 400 دانشمند در 54 موسسه در 23 کشور است.

Fermilab آزمایشگاه ملی پیشرو در ایالات متحده برای تحقیقات فیزیک ذرات و شتاب دهنده ها است. یک آزمایشگاه علوم وزارت انرژی ایالات متحده، Fermilab، در نزدیکی شیکاگو، ایلینوی واقع شده است و تحت قراردادی توسط Fermi Research Alliance LLC، مشارکت مشترک بین دانشگاه شیکاگو و انجمن تحقیقات دانشگاه، Inc اداره می شود. از وب سایت Fermilab در www.fnal.gov و ما را در توییتر دنبال کنید @Fermilab.

آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.