Уточнено значение массы W-бозона
Эксперимент CDF на коллайдере Тэватрон сообщил о рекордном по точности измерении массы W-бозона — одного из ключевых ингредиентов теории электрослабого взаимодействия. Физики сейчас анализируют возможные последствия этого результата.
Коллаборация CDF — один из двух основных детекторов, установленных на протонном коллайдере Тэватрон, — сообщила о новом измерении массы тяжелой элементарной частицы — W-бозона. Новое значение массы составляет MW = 80,413 ± 0,048 ГэВ/c2 и является самым точным значением, полученным до сих пор в одном эксперименте. На иллюстрации справа показаны результаты измерения MW в более ранних экспериментах.
Уточненное значение массы какой-то отдельной частицы может показаться рутинным занятием, однако этот результат был упомянут среди главных научных достижений на Тэватроне в прошедшем году (см. презентацию Tevatron Run II Physics Highlights, PDF, 5,4 Мб) — и не зря.
Дело в том, что W-бозон — это не просто «еще одна частица», а один из важных ингредиентов теории электрослабого взаимодействия, на котором основана Стандартная модель — современная картина физики микромира. Масса этой частицы, а также ее электрически нейтрального сотоварища — Z-бозона — связана тесными соотношениями со свойствами слабого взаимодействия элементарных частиц. Точное измерение массы этих частиц позволит проверить эти соотношения, а значит, позволит сказать, хорошо ли Стандартная модель описывает реальность или же намечаются какие-то нестыковки (за ними физики охотятся уже не первый десяток лет).
Кроме этого, благодаря точному измерению масс W-бозона и Z-бозона, а также топ-кварка можно по косвенным проявлениям изучить хиггсовский бозон (про хиггсовский механизм, про бозон Хиггса и про его поиски см. в популярной статье Время искать Хиггс). Хиггсовский бозон не просто постулируется — он является фундаментом всей электрослабой теории, и потому понятно желание физиков раздобыть об этой частице хоть крупицы информации. Конечно, окончательное слово останется за коллайдером LHC, который начнет работу в конце 2007 года, но, возможно, что-то можно узнать и сейчас.
Измеренное значение MW вкупе с полученными ранее значениями MZ и Mt (кстати, уточненное значение массы топ-кварка тоже было на днях получено коллаборацией CDF), свидетельствуют о том, что хиггсовский бозон действительно должен существовать и при этом он должен быть достаточно легким. Это, в свою очередь, является аргументом для сторонников суперсимметричного устройства нашего мира — в суперсимметричных теориях (по крайней мере один) хиггсовский бозон должен быть достаточно легким.
Стоит отметить, что три года назад как раз выбивающийся из колеи результат измерения MW в другом эксперименте, NuTeV, породил целую лавину теоретических исследований. Суть проблемы по состоянию на середину 2003 года изложена на страничке Текущие открытия в ФЭЧ: проблемы с углом Вайнберга в эксперименте NuTeV; ситуация с тех пор принципиально не изменилась. Эта история лишний раз доказывает, что открытия в физике элементарных частиц можно совершать не только путем повышения их энергии, но и путем чрезвычайно точных измерений свойств уже открытых частиц.
-
Вы пишете: 'Хиггсовский бозон не просто постулируется - он является фундаментом всей электрослабой теории'. Он лежит 'в основе' или он обязательно должен существовать в виде частицы.
Но, как пишет В.А. Рубаков: 'Нельзя полностью исключить и того, что спонтанное нарушение симметрии обусловлено не механизмом Хиггса, а каким-то другим механизмом, может быть, совершенно неизвестным теоретикам'.
Вы можете дать свой комментарий?-
Конструкции, в которых W и Z бозоны остаются те же самые, но нет хиггсовского механизма (а значит и бозона), существуют и обсуждаются, но это уже заведомо ДРУГИЕ модели. Под электрослабой теорией обычно понимают именно ту классическую схему, которую построили Глэшоу-Вайнберг-Салам. В ней хиггсовский механизм, и как следствие хиггсовский бозон, -- неизбежен. Если его не найдут, значит в нашем мире реализуется не эта стандартная схема, а что-то иное.
Есть, правда, маленькая оговорка. В принципе возможна ситуация, что хиггсовский бозон настолько тяжел (выше примерно полТэВа), что он уже и не виден как отдельная частица, как резонанс. Но судя по косвенным данным, хиггс всё же легкий.-
А Ваше отношение к идее, что векторный бозон Z состоит из двух заряженных четвертых лептонов.
Тем более, что 'он уже и не виден как отдельная частица, как резонанс', а проявляется, как составляющая другой частицы.-
-
: Эта "идея" совершенно противоречит эксперименту.
Интересно. И где противоречие?
: Во второй строчке вы что-то не то понаписали.
Просто воспользовался Вашей аналогией с 'тяжелым' Хиггсом.Разумеется, что речь идет о четвертом лептоне.-
За счет каких сил вы собираетесь связывать эти лептоны? За счет электромагнитных? В этом случае энергия связи мала по сравнению с массой, а значит, эти лептоны можно было бы легко родить и несвязанными парами. Такой процесс был бы легко заметен на коллайдерах, например, на LEP, но его нет.
Если эти лептоны связаны за счет каких-то совсем посторонних сил, то это уж и не лептоны, это вообще новая теория. В этом случае разговоры на уровне "в вдруг будет так" мало осмысленны -- предложите вначале конкретную теорию. В любом случае, тогда возникнет вопрос: а кто такие W-бозоны? Ведь вся электрослабая теория пойдет прахом из-за того, что Z-бозон оказался "не тем". Если и W-бозоны у вас будут состоять из новых "лептонов", то в любом случае надо будет объяснять, почему с такой точностью выполняются все соотношения, предсказанные электрослабой теорией.
Есть, конечно, вариант, что W и Z-бозоны, как и лептоны и кварки, состоят из объектов более глубокого уровня, типа преонов, но это совсем иной класс моделей, а вовсе не "лептоны четвертого поколения".
По поводу тяжелого Хиггса вы не поняли. Ширина тяжелого Хиггса пропорциональна кубу массы, и при массе в полТэВа ширина становится того же порядка, что и масса. Это значит, что резонансный профиль хиггсовского бозона становится столь широким, что его уже не отличить от нерезонансного процесса. Именно поэтому о хиггсовском бозоне как о отдельной наблюдаемой частице уж нет смысла говорить. Однако он при этом вовсе не становится "составной частью" чего-то еще.
На всякий случай добавлю, что масса частиц получается не из-за взаимодействия с самим хиггсовским бозоном, а из-за взаимодействия с хиггсовским конденсатом. Это разные степени свободы. В первоначальном (затравочном) хиггсовском поле есть четыре степени свободы, три из которых как бы "поглощаются" W и Z бозонами, что приводит к их массе, а четвертый становится физической частицей, бозоном Хиггса.-
:: За счет каких сил вы собираетесь связывать эти лептоны? За счет электромагнитных? В этом случае энергия связи мала по сравнению с массой, а значит, эти лептоны можно было бы легко родить и несвязанными парами. Такой процесс был бы легко заметен на коллайдерах, например, на LEP, но его нет.
Если эти лептоны связаны за счет каких-то совсем посторонних сил, то это уж и не лептоны, это вообще новая теория.
:
Новая теория, конечно, это замечательно. Но сейчас не старые времена, когда над конкретным вопросом работали единицы. Сейчас (особенно в этой области) счет идет на многие и многие : 'не единицы' человек. Создать новую теорию, которая должна подтвердиться на всем имеющимся богатейшем материале, и даже 'не единицам', это, по меньшей мере, нескромно. Моя задача существенно проще, а именно задуматься и задать вопросы. Из простого и понятного принципа, что 'дорогу осилит идущий', а не тот, кто думает, что у него есть ответы на все вопросы. Конечно, теплится и у меня надежда, что не во всем ошибаюсь.
А 'совсем посторонних сил' придумывать здесь, надеюсь, не надо, поскольку они те же, которым мы обязаны существованию самой частицы.
::
:: В этом случае разговоры на уровне "в вдруг будет так" мало осмысленны -- предложите вначале конкретную теорию.
:
Попытаюсь 'осмыслить', но не требуйте от меня решения всех вопросов, поскольку возможности мои ограничены. Логика простая.
Нам известны три заряженных лептона с массами M1= 0,511 МэВ/c^2, M2= 105,7 МэВ/c^2 и M3= 1777 МэВ/c^2, из которых только один стабилен. Естественно предположить (по аналогии с кварками), что четвертый заряженный лептон, если он существует, должен иметь массу приблизительно в 20 раз больше, чем третий. Тогда близкое к минимально возможному (поскольку для кварков это изменение массы от одного к другому существенно больше) это значение M4 будет порядка 35 ГэВ/c^2, что не противоречит тем значениям массы, которые известны для векторных бозонов (MZ = 91,187 ГэВ/c^2 и MW = 80,413 ГэВ/c^2). Более точная оценка дает, что M4= 37,8 ГэВ/c^2. Надеюсь, что аналогия уже просматривается.
Как и где он может проявляться? Понятно, что время его жизни мало (для второго и третьего заряженных лептонов оно порядка 10^-6 с и 10^-13 с), поэтому он может образовывать более устойчивые структуры, например, типа векторного бозона Z, то есть своего рода 'тяжелый Z-позитроний'. Поскольку Mz= 91,187 ГэВ/c^2, то отличие от двух масс M4 невелико. С учетом угла Вайнберга (квадрат синуса угла приблизительно равен 0,224) и константы Mx= 37,3 ГэВ/c^2, рассогласование будет еще меньше.
::
:: В любом случае, тогда возникнет вопрос: а кто такие W-бозоны?
:
Структура векторного бозона W, возможно, несколько иная. Она может быть представлена, как состоящая из заряженного и 'скомпенсированного' ('нейтрального') четвертого лептона (возможно, что это и есть нейтралино). Можно просто оценить его массу, если предположить, что энергия связи в бозонах W и Z имеет одинаковую величину. Тогда масса скомпенсированного четвертого лептона порядка 50 ГэВ/c^2.
::
:: Ведь вся электрослабая теория пойдет прахом из-за того, что Z-бозон оказался "не тем". Если и W-бозоны у вас будут состоять из новых "лептонов", то в любом случае надо будет объяснять, почему с такой точностью выполняются все соотношения, предсказанные электрослабой теорией.
:
Пока оснований утверждать, что 'вся электрослабая теория пойдет прахом из-за того, что Z-бозон оказался "не тем"', у меня нет. А вот большая конкретика для теории может оказаться не только не лишней, а и полезной. Поскольку напрашивается, что образование структуры четвертого лептона - это и есть распад частицы.
::
:: Есть, конечно, вариант, что W и Z-бозоны, как и лептоны и кварки, состоят из объектов более глубокого уровня, типа преонов, но это совсем иной класс моделей, а вовсе не "лептоны четвертого поколения". По поводу тяжелого Хиггса вы не поняли. Ширина тяжелого Хиггса пропорциональна кубу массы, и при массе в полТэВа ширина становится того же порядка, что и масса. Это значит, что резонансный профиль хиггсовского бозона становится столь широким, что его уже не отличить от нерезонансного процесса. Именно поэтому о хиггсовском бозоне как о отдельной наблюдаемой частице уж нет смысла говорить. Однако он при этом вовсе не становится "составной частью" чего-то еще.
:
Есть он или нет, пусть лучше ответит эксперимент. Если без него невозможно обойтись в принципе, то, возможно, что Хиггс состоит из двух скомпенсированных лептонов. Тогда оценка его массы вполне понятна.
::
:: На всякий случай добавлю, что масса частиц получается не из-за взаимодействия с самим хиггсовским бозоном, а из-за взаимодействия с хиггсовским конденсатом. Это разные степени свободы. В первоначальном (затравочном) хиггсовском поле есть четыре степени свободы, три из которых как бы "поглощаются" W и Z бозонами, что приводит к их массе, а четвертый становится физической частицей, бозоном Хиггса.
:
Обратите внимание, что четыре частицы в обоих случаях. Способ же формирования их массы - это отдельный серьезный вопрос.
Пока у меня вопросы и вопросы. Какие возражения у Вас к подобной последовательности рассуждений?
-
-
-
-
-
-
http://www.ufn.ru/ufn07/ufn07_6/Russian/rnew076.pdf
http://ufn.ioc.ac.ru/news/rus/2007/0607_r.html
Единичный t-кварк
Коллективом исследователей D0 на протон-антипротонном коллайдере Теватрон в Лаборатории им.Э.Ферми впервые наблюдалось рождение единичных (не свободных) t-кварков в составе продуктов реакций. Ранее регистрировались только события, в которых t-кварк рождался всегда в паре со своим антикварком. Процессы рождения единичных t-кварков происходят по электрослабому механизму, и их суммарное сечение равно 4.9+-1.4пбарн. Также впервые был найден элемент Vtb матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы без априорного предположения о ее унитарности. Измеренная величина составляет 0.68< Vtb< 1 на уровне достоверности 95%. Источник: Phys. Rev. Lett. 98 181802 (2007)
Совместное рождение W- и Z-бозонов
Рождение массивных векторных W- и Z-бозонов, являющихся переносчиками электрослабых взаимодействий, наблюдалось ранее во многих экспериментах. Коллаборацией CDF в Лаборатории им.Э.Ферми впервые наблюдалось одновременное рождение двух бозонов. Бозоны W и Z рождались в так называемых тройных процессах, когда бозоны пары WZ взаимодействовали между собой посредством третьего виртуального бозона. Бозоны идентифицировались по их характерной картине распадов на лептоны. Всего в эксперименте было зарегистрировано 16 пар WZ, тогда как число фоновых событий оценивается величиной 2.7+-0.4. Исследование редких тройных процессов представляет большой интерес, поскольку в них могут быть выявлены очень слабые эффекты за пределами Стандартной модели элементарных частиц. Источник: Phys. Rev. Lett. 98 161801 (2007)
Последние новости
