ال اچ سی: بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان به معمای قدیمی جرم بوزون W پایان داد
پس از تجزیه و تحلیل گسترده، آزمایش سلونوئید فشرده میون (CMS) در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی یک اندازه‌گیری جدید از جرم بوزون W، یکی از ذرات حامل نیروهای طبیعت، اعلام کرده است.
این اندازه‌گیری که جامع‌ترین تا به امروز است، با تأیید همخوانی جرم بوزون W با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد، معمایی قدیمی را حل می‌کند.
این پیشرفت از یافته‌های قبلی در فرمی‌لب در سال ۲۰۲۲ ناشی می‌شود که نشان‌دهنده یک ناهماهنگی احتمالی بین جرم بوزون W اندازه‌گیری شده و پیش‌بینی‌های مدل استاندارد بود.
اگر این اختلاف تأیید می‌شد، می‌توانست به حضور ذرات یا نیروهای ناشناخته‌ای اشاره کند که احتمالاً درک ما از جهان را تغییر می‌داد.
اما نتایج جدید تیم CMS این نگرانی‌ها را برطرف کرده است. یافته‌های آن‌ها تأیید می‌کند که جرم بوزون W با مدل استاندارد همخوانی دارد و این نظریه کلیدی را تقویت می‌کند.
دهه‌ها پژوهش برای اندازه‌گیری دقیق
به ویژه از زمان کشف بوزون W در سال ۱۹۸۳، فیزیکدانان در ۱۰ آزمایش مختلف جرم آن را اندازه‌گیری کرده‌اند.
تجزیه و تحلیل اخیر از ۳۰۰ میلیون واقعه از فعالیت سال ۲۰۱۶ ال اچ سی و ۴ میلیارد واقعه شبیه‌سازی شده استفاده کرده است. از این طریق، تیم جرم بوزون W را از بیش از ۱۰۰ میلیون بوزون W بازسازی و اندازه‌گیری کرده‌اند.
آن‌ها دریافتند که جرم ۸۰,۳۶۰.۲ ± ۹.۹ مگا الکترون ولت (MeV) است که با مقدار پیش‌بینی شده مدل استاندارد ۸۰,۳۵۷ ± ۶ MeV بسیار نزدیک است.
پتی مک‌براید، دانشمند فرمی‌لب و سخنگوی سابق CMS، به دقت نتیجه جدید CMS و تعیین دقیق نوسانات اشاره کرد.
او به مشارکت‌های آزمایش‌های قبلی اشاره کرد و گفت: «ما از CDF و سایر آزمایشاتی که روی مسئله جرم بوزون W کار کرده‌اند، خیلی چیزها یاد گرفته‌ایم».
اهمیت بوزون W
بوزون W یک ذره بنیادی در مدل استاندارد است، چارچوب نظری که نیروها و ذرات بنیادی طبیعت را توصیف می‌کند.
درک جرم آن برای نقشه‌کشی تعامل ذرات و نیروها، از جمله قدرت میدان هیگز و ادغام الکترومغناطیس با نیروی ضعیف، حیاتی است.
آنادی کانپا، معاون سخنگوی آزمایش CMS، به توازن ظریف جهان اشاره کرد و گفت: «اگر جرم W با آنچه انتظار داریم متفاوت باشد، ممکن است نیروها یا ذرات جدیدی در کار باشند».
غلبه بر چالش‌های فنی
اندازه‌گیری جدید CMS دارای دقت 0.01٪ است. این سطح دقت معادل اندازه‌گیری یک مداد 4 اینچی به حدود 3.9996 تا 4.0004 اینچ است.
دستیابی به این سطح دقت کار ساده‌ای نبود. آزمایش CMS با طراحی منحصر به فرد خود که شامل ساختار جمع و جوری، حسگرهای تخصصی و یک آهنربای سلونوئیدی قوی است، در اندازه‌گیری با دقت بالا نقش داشت.
دانشمندان برای غلبه بر چالش‌های متعدد، از جمله ماهیت گریزان نوترینو، که شناخته شده است اندازه‌گیری آن دشوار است و در واپاشی بوزون W تولید می‌شود، باید به راه‌حل‌های خلاقانه‌ای توسل جویند.
«نوترینوها به سختی قابل اندازه‌گیری هستند. در آزمایش‌های برخورددهنده، نوترینو تشخیص داده نمی‌شود، بنابراین ما فقط با نیمی از تصویر کار می‌کنیم»، جاش بنداوید، دانشمند MIT توضیح داد.
برای غلبه بر این، دانشمندان از راه‌حل‌های خلاقانه‌ای استفاده کردند، از جمله شبیه‌سازی میلیاردها برخورد ال اچ سی و مدل‌سازی حتی کوچک‌ترین تغییر شکل‌ها در آشکارساز.
آن‌ها همچنین به ورودی‌های نظری متکی بودند، مانند فرآیندهای درون پروتون‌های برخورد کننده، تولید بوزون W و حرکت آن قبل از واپاشی.
افزایش دقت برای پژوهش‌های آینده
قبلاً، فیزیکدانان برای کالیبره‌سازی مدل‌های خود از بوزون Z به عنوان مرجع برای بوزون W استفاده می‌کردند. با این حال، این روش نوساناتی را به همراه دارد.
برای کاهش این مشکل، پژوهشگران CMS یک تکنیک تجزیه و تحلیل جدید با استفاده از داده‌های بوزون W برای محدود کردن ورودی‌های نظری ابداع کردند.
«ما توانستیم این کار را به طور مؤثر انجام دهیم، ترکیبی از داده‌های بیشتر، تجربه‌ای که از مطالعه قبلی بوزون W به دست آورده‌ایم و آخرین پیشرفت‌های نظری»، بنداوید اضافه کرد. «این به ما اجازه داده تا خودمان را از بوزون Z به عنوان نقطه مرجع، آزاد کنیم».
تجزیه و تحلیل همچنین شامل بررسی ۱۰۰ میلیون مسیر از واپاشی ذرات برای کالیبره‌سازی مجدد بخشی از آشکارساز CMS بود که دقت آن را به طور قابل توجهی افزایش داد. این دقت، اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری از بوزون‌های W، Z و هیگز امکان‌پذیر می‌سازد.
«این سطح جدید از دقت به ما این امکان را می‌دهد که اندازه‌گیری‌های حیاتی، مانند آنهایی که شامل بوزون‌های W، Z و هیگز هستند، با دقت بیشتری انجام دهیم»، مانکا گفت.
«من این پژوهش را به عنوان یک دانشجوی تابستانی شروع کردم و اکنون در سال سوم پسادکتری هستم. این یک ماراتن است، نه یک دویدن سریع»، مانکا در حالی که به نیاز به پژوهش‌های آینده تأکید کرد، نتیجه‌گیری کرد.
