На семинаре, состоявшемся в ЦЕРНе 17 сентября, коллаборация CMS сообщила о том, что проанализировала данные о столкновениях протонов, полученные во время второго запуска Большого адронного коллайдера, чтобы провести первое измерение массы этой фундаментальной частицы.

Результат является наиболее точным измерением массы W-бозона, — элементарной частицы, которая вместе с Z-бозоном является посредником в слабом взаимодействии, — выполненным на сегодняшний день на LHC, и соответствует прогнозу Стандартной модели физики элементарных частиц и всем предыдущим измерениям, за исключением измерения, полученного в ходе эксперимента CDF на бывшем протон-антипротонном коллайдере «Теватрон» в Фермилабе.

Кандидат на столкновение CMS для распада W-бозона на мюон (красная линия) и нейтрино, которое избегает обнаружения (розовая стрелка). Источник: CMS/CERN

В Стандартной модели масса W-бозона тесно связана с силой взаимодействия, объединяющей электромагнитные и слабые силы, а также с массами бозона Хиггса и топ-кварка, что ограничивает её значение до 80 353 миллионов электронвольт (МэВ) с погрешностью 6 МэВ. Измерение массы W-бозона с высокой точностью позволяет проверить, совпадают ли все эти свойства таким образом, чтобы это соответствовало Стандартной модели. Если нет, то причиной могут быть новые физические явления, такие как новые частицы или взаимодействия.

С момента открытия в ЦЕРНе около 40 лет назад, масса W-бозона была измерена ещё точнее несколькими экспериментами на коллайдерах в ЦЕРНе и в других лабораториях. В 2022 году удивительно высокое значение его массы, измеренное экспериментом CDF, погрузило частицу в «кризис». Масса W-бозона CDF, 80 433,5 МэВ с неопределённостью до 9,4 МэВ, значительно отличалась от предсказания Стандартной модели и от других экспериментальных результатов, что потребовало дополнительных исследований.

В 2023 году коллаборация ATLAS, которая провела первое измерение массы W-бозона в 2017 году, опубликовала улучшенное измерение, основанное на повторном анализе данных о столкновениях протонов с протонами из первого запуска LHC. Этот улучшенный результат, 80 366,5 МэВ с погрешностью 15,9 МэВ, совпал со всеми предыдущими измерениями, за исключением измерения CDF, которое остается самым точным на сегодняшний день с точностью 0,01%.

Эксперимент CMS внёс свой вклад в массу W-бозона. Долгожданный результат 80 360,2 с неопределённостью 9,9 МэВ имеет точность, сравнимую с точностью измерения CDF, и согласуется со всеми предыдущими измерениями, за исключением результата CDF.

«Ожидание результата CMS теперь окончено. После тщательного анализа данных, собранных в 2016 году, и прохождения всех перекрёстных проверок результат CMS готов. Этот анализ является первой попыткой измерить массу W в жёстких условиях столкновений второго периода работы LHC. И вся тяжёлая работа команды привела к чрезвычайно точному измерению массы W-бозона и самому точному измерению на LH»», — сказал представитель CMS Патрисия Макбрайд.

«Измерения массы W-бозона — очень сложная задача, требующая точных измерений и теоретического моделирования образования W- бозона и его распада на лептон (в данном случае мюон) и нейтрино, которые не поддаются обнаружению. Используя способность детектора CMS измерять мюоны с высокой точностью и применяя новейшие и самые передовые теоретические компоненты, некоторые из которых были проверены с помощью перекрёстного анализа, мы достигли этого рекордного уровня точности», — объяснил новый представитель CMS Готье Амель де Моншено.