Физики измерили самую тяжелую из известных частиц с рекордной точностью

В последнее время мир физики частиц находится на зыбкой почве. На протяжении многих лет исследователи тщательно изучают частицы, чтобы убедиться в том, что правила, которые мы используем для объяснения Вселенной, соответствуют действительности, но результаты оказываются тревожно противоречивыми.

В дополнение к этому физики, использующие Большой адронный коллайдер (БАК), измерили самую тяжелую из известных элементарных частиц с беспрецедентной точностью.

Это столь необходимая победа для Стандартной модели физики частиц - набора правил, которые предсказывают поведение всех частиц, составляющих наш мир - новые расчеты сделаны с погрешностью, значительно меньшей, чем предыдущие, что дает физикам уверенность в истинной массе частицы. 

Но это не означает, что дело закрыто - это измерение может стать лишь началом более глубокого понимания того, как устроена наша Вселенная.

Элементарная частица, о которой идет речь, называется топ-кварк, и она является самой массивной из всех известных элементарных частиц, внося вклад в фундаментальную часть нашего понимания Вселенной. 

Важно отметить, что свою массу он получает благодаря связи с неуловимым бозоном Хиггса. Это партнерство - самая сильная связь в этом масштабе, о которой мы знаем в Стандартной модели.

Также важно, во что распадается верхний кварк. После того, как он был разбит в коллайдере, верхний кварк может распадаться только под действием слабых сил, и он распадается на W-бозон (и, обычно, на нижний кварк).

Если вы постоянный читатель ScienceAlert, вы можете узнать W-бозон как центр недавних споров.

После многих лет попыток проделать дыры в Стандартной модели, исследователи недавно опубликовали убедительные доказательства, которые указывают на то, что предыдущие оценки массы W-бозона могут быть неверными.

Если эти результаты подтвердятся, то это будет означать, что вся Стандартная модель может быть ошибочной.

И именно здесь в дело вступает топ-кварк - мы можем использовать его массу, чтобы сделать предсказания как о бозоне Хиггса, так и о W-бозоне, поэтому получение максимально точной оценки имеет решающее значение.

"Примечательно, что наши знания о самой стабильности нашей Вселенной зависят от наших общих знаний о массах бозона Хиггса и топ-кварка", - поясняется в пресс-релизе Европейского совета по ядерным исследованиям (CERN), который руководил исследованием. 

"Мы знаем, что Вселенная находится очень близко к метастабильному состоянию, только благодаря точности нынешних измерений массы топ-кварка. Если бы масса топ-кварка хоть немного отличалась, Вселенная была бы менее стабильной в долгосрочной перспективе, и, возможно, в конечном итоге исчезла бы в результате бурного события, подобного Большому взрыву".

Хотя это может показаться простым - иметь возможность "взвесить" эти частицы, как мы взвешиваем обычные предметы, чтобы узнать их массу, на самом деле это не так просто. 

Чтобы получить элементарную частицу, такую как топ-кварк, физики сбивают вместе субатомные частицы, известные как протоны, в таких устройствах, как Большой адронный коллайдер. В результате каждого столкновения вылетает целый ряд других частиц, что позволяет исследователям изучать эти побочные продукты в контролируемой среде.

Однако наблюдать свойства каждой частицы все еще непросто. Когда мы начинаем говорить о таких невероятно малых масштабах, мы попадаем в квантовую область, где частицы становятся немного размытыми, и трудно точно определить их массу.

Есть несколько способов обойти это. Один из них - провести эксперимент несколько раз, а затем статистически обработать результаты. Другой - использовать различные методы. В данном случае исследователи непосредственно измерили частицу и одновременно провели измерение с использованием других форм данных в сочетании с установленной теорией (в данном случае это было названо измерением массы полюса).

По словам исследователей, их новый результат на 0,12 ГэВ точнее, чем предыдущие расчеты на основе тех же данных, и составляет 172,76 гигаэлектронвольта (плюс-минус 0,3 гигаэлектронвольта). Это вполне согласуется с тем, что мы ожидаем от теорий, основанных на Стандартной модели, говорят исследователи ЦЕРН.

Повышенная точность достигнута благодаря новым методам анализа, в которых используется больше переменных, чем раньше, чтобы лучше справиться с неопределенностями между измерениями.

В ходе последнего измерения были изучены данные о столкновениях, проведенных детектором CMS (Compact Muon Solenoid) БАК в 2016 году. Исследователи ЦЕРН изучили пять различных свойств столкновений, в результате которых образовалась пара топ-кварков. Рассматриваемые свойства зависят от массы топ-кварка, а в предыдущих исследованиях рассматривались только три свойства событий.

Затем команда откалибровала этот набор данных с предельной точностью, чтобы определить, какие неопределенности остаются - они могли извлечь эти неопределенности и лучше понять их при расчете наилучшего соответствия окончательному значению массы топ-кварка.  

Хотя этот результат сам по себе является большим шагом вперед для физики частиц и предварительной победой Стандартной модели, в ЦЕРНе говорят, что мы можем ожидать еще большей точности, когда тот же подход будет применен к набору данных, собранных детектором CMS в 2017 и 2018 годах - не говоря уже о будущих, уже побивших рекорды исследованиях. БАК только что снова заработал после трехлетней остановки и уже бьет рекорды.

Можно с уверенностью сказать, что благодаря этому обновленному измерению массы и технике, которая его обеспечила, мы собираемся еще глубже понять мельчайшие аспекты Вселенной. Следите за этим пространством.