Jennifer Chu, Massaçusets Texnologiya İnstitutu tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

W bozon kütləsinin ölçülməsi. Mənbə: arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2412.13872

Fundamental hissəciklər gözləniləndən daha ağır və ya yüngül olduqda, fiziklərin kainat haqqında anlayışı naməlumluğa doğru dəyişə bilər. Proqnozlaşdırılan kütləsindən bir az kənarda olan hissəcik, alimlərin bütün maddəni və məkanı təşkil edən qüvvələr haqqında fərziyyələrini alt-üst edə bilər. Lakin indi yeni dəqiq ölçmə tarazlığı yenidən qurdu və alimlərin nəzəriyyələrini təsdiqlədi, ən azı kainatın əsas tikinti bloklarından biri üçün.

“Nature” jurnalında dərc olunan məqalədə MIT fiziklərinin də daxil olduğu beynəlxalq bir qrup W bozonunun kütləsinin yeni, ultra dəqiq ölçülməsini bildirir .

W bozonu, təbiətin dörd əsas qüvvəsindən biri olan zəif qüvvəni təcəssüm etdirən iki elementar hissəcikdən biridir. Zəif qüvvə müəyyən hissəciklərin protonlardan neytronlara və əksinə kimi şəxsiyyətlərini dəyişməsinə imkan verir. Bu morfizasiya, radioaktiv parçalanmanı, eləcə də günəşi enerji ilə təmin edən nüvə birləşməsini hərəkətə gətirir.

İndi alimlər İsveçrədəki CERN-də (Avropa Nüvə Tədqiqatları Təşkilatı) Böyük Hadron Toqquşması (BHC) tərəfindən yaranan 1 milyarddan çox proton-toqquşma hadisəsini təhlil edərək W bozonunun kütləsini təyin ediblər. BHC protonları işıq sürətinə yaxın bir sürətlə bir-birinə doğru sürətləndirir. Toqquşduqda, iki proton digər hissəciklərin axını arasında bir W bozonu əmələ gətirə bilər.

W bozonunu tutmaq demək olar ki, mümkün deyil, çünki o, demək olar ki, dərhal iki növ hissəciyə parçalanır ki, bunlardan biri olan neytrino o qədər nadirdir ki, aşkarlana bilmir. Alimlərə muon kimi tanınan digər hissəciyi ölçmək və onun ana W bozonunun ümumi kütləsinə necə qoşula biləcəyini modelləşdirmək qalır.

Yeni tədqiqatda alimlər proton toqquşmasından sonra yaranan muonları və digər hissəcikləri dəqiq şəkildə izləyən LHC-də hissəcik detektoru olan Compact Muon Solenoid (CMS) təcrübəsindən istifadə ediblər.

Milyardlarla proton-proton toqquşmasından sonra komanda W bozonunun muona və neytrinoya parçalanmasına səbəb olan 100 milyon hadisəni müəyyən etdi. Bu hadisələrin hər biri üçün dəqiq kütlə ölçməsini daraltmaq üçün ətraflı təhlillər apardılar.

Sonda onlar W bozonunun kütləsinin 80360.2 ± 9.9 meqaelektron volt (MeV) olduğunu müəyyən etdilər. Bu yeni kütlə, fiziklərin təbiətin fundamental hissəciklərini və qüvvələrini təsvir etmək üçün ən yaxşı qayda kitabı olan Standart Modelin proqnozlarına uyğundur.

Yeni ölçmənin dəqiqliyi Fermilabdakı (CDF) Kollayder Detektoru tərəfindən 2022-ci ildə aparılan əvvəlki ölçmə ilə eynidir. Bu ölçmə fizikləri təəccübləndirdi, çünki Standart Modelin proqnozlaşdırdığından xeyli ağır idi və buna görə də hələ kəşf edilməmiş hissəciklər və qüvvələr kimi “yeni fizika” ehtimalını artırdı.

Yeni CMS ölçməsi CDF nəticəsi qədər dəqiq olduğundan və bir sıra digər təcrübələrlə yanaşı Standart Modellə də uyğun gəldiyindən, fiziklərin W bozonunu necə başa düşmələri baxımından möhkəm bir mövqedə olma ehtimalı daha yüksəkdir.

“Düzünü desəm, bu, sadəcə böyük bir rahatlamadır”, – deyə tədqiqatın aparıcı müəllifi, MIT-in Nüvə Elmləri Laboratoriyasında baş doktorant Kennet Lonq bildirir. “Bu yeni ölçmə, Standart Modelə etibar edə biləcəyimizin güclü bir təsdiqidir.”

Tədqiqatın müəllifi CERN-in CMS Əməkdaşlığının 3000-dən çox üzvüdür. Yeni ölçmə üzərində işləyən əsas qrupa MIT-də Long, doktor Tianyu Justin Yang, fizika üzrə postdoktorant olan David Walter və Jan Eysermans, Hissəciklər Fizikası Əməkdaşlığının baş tədqiqatçısı Guillelmo Gomez-Ceballos, keçmiş tədqiqatçı Coş Bendavid və MIT-də fizika professoru və Hissəciklər Fizikası Əməkdaşlığının baş tədqiqatçısı Christoph Paus daxil olmaqla bir komandanın rəhbərlik etdiyi 10 müəssisədən təxminən 30 alim daxildir.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Hamısını bir yerə yığmaq

W bozonu ilk dəfə 1983-cü ildə kəşf edilib və bütün fundamental hissəciklər arasında dördüncü ən ağır hissəcik olduğu proqnozlaşdırılır. Birdən çox təcrübələr hissəciyin kütləsini müxtəlif dəqiqlik dərəcələri ilə daraltmağı hədəfləyib.

Bu təcrübələr əsasən Standart Modelin proqnozları ilə uyğun gələn ölçmələr əldə etmişdir. Fermilabın CDF təcrübəsi ilə 2022-ci ildə aparılan ölçmə yeganə əhəmiyyətli kənarlaşmadır. Bu, həm də bu günə qədər aparılan ən dəqiq təcrübədir.

Həmmüəllif Kristof Paus deyir: “Əgər CDF ölçüsünü nominal olaraq götürsəniz, Standart Modeldən kənarda fizikanın olması lazım olduğunu deyərdiniz. Əlbəttə ki, ən böyük sirr də elə bu idi.”

Paus və həmkarları, CDF-nin dəqiqliyinə uyğun bir təcrübə ilə müstəqil bir ölçmə aparmaqla CDF-nin tapıntılarını dəstəkləməyə və ya təkzib etməyə çalışdılar. Onların yeni W bozon kütləsinin ölçülməsi, həm faktiki hissəciklərin toqquşması hadisələrini təhlil etmək, həm də bu hadisələri yarada biləcək bütün ssenariləri simulyasiya etmək üçün 10 illik işin məhsuludur.

Fiziklər yeni tədqiqatları üçün 2016-cı ildə LHC-də baş verən proton toqquşması hadisələrini təhlil etdilər. İşləyərkən hissəcik toqquşdurucusu hər 25 nanosaniyədə təxminən bir proton toqquşması sürəti ilə proton toqquşması yaradır. Komanda LHC-nin 2016-cı il məlumat dəstinin milyardlarla proton-proton toqquşmasını əhatə edən bir hissəsini təhlil etdi. Bunların arasında çox qısa ömürlü W bozonu yaradan təxminən 100 milyon hadisə müəyyən etdilər.

Lonq izah edir ki, “W bozonu kimi bir hissəcik, biri birbaşa ölçülə bilməyən neytrino olan iki hissəciyə parçalanmadan əvvəl kiçik bir an – təxminən 10-24 saniyə ərzində mövcuddur ^. Çətin hissə də budur: Digər hissəciyi – bir muonu – çox yaxşı ölçməli və tapmacanın yalnız bir hissəsi ilə əşyaları bir yerə yığa bilməlisiniz.”

Toplama sürəti

W bozonunun parçalanmasından bir muon əmələ gəldikdə, o, W bozonunun kütləsinin yarısını daşıyır və bu kütlə muonu orijinal toqquşmadan uzaqlaşdıran impulsa çevrilir.

CMS detektorunun içərisindəki güclü maqnit sahəsi səbəbindən elektrik yüklü muon, əyriliyi onun impulsunun funksiyası olan bir yol izləyir. Alimlərin qarşısında duran vəzifə, ilkin impulsunu qiymətləndirmək üçün muonun yolunu və digər hissəciklər və ətraf mühitlə ola biləcək hər bir qarşılıqlı təsirini izləməkdir.

Muonun impulsu, W bozonunun parçalanmadan əvvəlki impulsundan da təsirlənir. W bozonunun hərəkətinin təsirini onun kütləsinin təsirlərindən ayırmaq böyük bir çətinlik yaratdı.

W bozon kütləsini müəyyən etmək üçün komanda əvvəlcə hissəcik toqquşmasının xaotik mühitində proton-proton toqquşmasından sonra bir muonun yaşaya biləcəyi hər ssenarinin simulyasiyasını həyata keçirdi.

Ümumilikdə, komanda ən müasir nəzəri hesablamalarla təsvir edilən 4 milyard belə simulyasiya hadisəsi yaratdı. Simulyasiyalar, CMS detektorunun fiziki xüsusiyyətlərinin muon impulsuna necə təsir etdiyinə dair müxtəlif fərziyyələri, eləcə də LHC toqquşmalarında W bozon istehsalını idarə edən proqnozlardakı qeyri-müəyyənlikləri kodlaşdırdı.

Tədqiqatçılar simulyasiyalarını 2016-cı il LHC sınağının məlumatları ilə müqayisə etdilər. Kollayderdə baş verən hər bir proton-proton toqquşması hadisəsi üçün elm adamları CERN-in LHC-dəki CMS detektorundan istifadə edərək muonlar kimi yaranan hissəciklərin enerjisini və impulsunu dəqiq ölçə bilərlər.

Komanda 100 milyondan çox W bozon hadisəsindən əmələ gələn muonların CMS ölçmələrini təhlil etdi. Daha sonra bu məlumatları muon impulsunun simulyasiyalarına əlavə etdilər və sonra W bozon üçün yeni bir kütləyə çevirdilər.

Həmin kütlə — 80.360.2 ± 9.9 meqaelektron volt — CDF təcrübəsinin ölçməsindən xeyli yüngüldür. Üstəlik, yeni qiymətləndirmə Standart Modelin W bozonunun kütləsi üçün proqnozlaşdırdığı diapazondadır və bu da fiziklərin Standart Modelə və onun təbiətin əsas hissəcikləri və qüvvələri haqqındakı təsvirlərinə inamını artırır.

Lonq deyir: “Həqiqətən dəqiq nəticəmizin və Standart Modelin proqnozlarına uyğun gələn digər təcrübələrin birləşməsi ilə düşünürəm ki, insanların əksəriyyəti Standart Modelə bahis edəcək. Amma düşünürəm ki, insanlar bu ölçməni davam etdirməlidirlər. Biz hələ bunu bitirməmişik.”

“Daha çox məlumat əlavə etmək, təhlil üsullarımızı daha dəqiq etmək və əsasən limonu bir az daha sıxmaq istəyirik. Həmişə bir az şirə qalır”, Paus əlavə edir. “Daha yaxşı baxdıqda, bu fundamental tikinti blokunu həqiqətən başa düşüb-düşmədiyimizi dəqiq deyə bilərik.”