Kilka lat temu pomiar przeprowadzony przez eksperyment CDF w amerykańskim Fermilab wstrząsnął fizyką cząstek elementarnych. Wyznaczona masa bozonu W okazała się wyraźnie wyższa od wartości przewidywanej przez Model Standardowy — fundamentalną teorię opisującą budowę materii. Różnica była na tyle duża, że część środowiska zaczęła spekulować o śladach nowej fizyki, nieznanych cząstek i zjawisk wykraczających poza to, co dziś rozumiemy. Najnowszy pomiar wykonany przez eksperyment CMS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN tę narrację komplikuje.
Brakujące neutrino
Zmierzenie masy bozonu W nie jest prostym zadaniem. Bozon W jest nośnikiem oddziaływania słabego — jednej z czterech fundamentalnych sił przyrody, odpowiedzialnej m.in. za niektóre przemiany promieniotwórcze. Jego masa powinna być ściśle wyznaczona przez relacje matematyczne Modelu Standardowego: zależy od masy bozonu Higgsa, masy kwarku top i stałych oddziaływań. Jakiekolwiek odchylenie zmierzonej wartości od tej przewidywanej mogłoby oznaczać wpływ ciężkich, nieznanych cząstek, których nie potrafimy jeszcze wytworzyć w akceleratorach.
Trudność pomiarowa polega na tym, że bozon W często rozpada się na mion i neutrino. Mion można świetnie obserwować w detektorze — jego zakrzywiony tor w silnym polu magnetycznym pozwala dokładnie wyznaczyć pęd. Neutrino natomiast przelatuje przez detektor, nie pozostawiając śladu. Masę bozonu W trzeba więc odtwarzać pośrednio, z danych o jednej tylko cząstce z pary. Wymaga to ekstremalnie precyzyjnej kalibracji całego aparatu pomiarowego.
Wynik zgodny z teorią
Analiza CMS objęła ponad 117 milionów zdarzeń zarejestrowanych podczas zderzeń protonów o energii 13 TeV w 2016 roku. Do kalibracji skali pędu mionów wykorzystano m.in. rozpady rezonansu J/ψ, a poprawność metody zweryfikowano na rozpadach bozonu Z — cząstki o bardzo dobrze znanych właściwościach. Ostateczny wynik, opublikowany w Nature, wynosi 80 360,2 ± 9,9 MeV. Jest to wartość zgodna z przewidywaniem Modelu Standardowego wynoszącym około 80 353 ± 6 MeV, a zarazem wyraźnie niższa od wyniku CDF. Precyzja pomiaru CMS jest porównywalna z precyzją CDF, co sprawia, że oba wyniki mogą być bezpośrednio zestawiane.
Nie oznacza to, że sprawa jest zamknięta. Zbieżność CMS z Modelem Standardowym podważa rewolucyjną interpretację wyniku CDF, ale nie wyjaśnia, dlaczego CDF wskazał inną wartość. Fizycy muszą teraz dokładnie porównać metody, systemy kalibracji i źródła niepewności obu eksperymentów. W pracach zespołu CMS uczestniczyli naukowcy z polskich ośrodków: Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej.
