Τρεις είναι οι δυνάμεις που καθορίζουν την συμπεριφορά της ύλης σε υποατομικό επίπεδο: οι ηλεκτρομαγνητικές, οι ισχυρές πυρηνικές και οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι ίσως η πιο ενδιαφέρουσα. Αν και αληθεύει αυτό που υπονοεί το όνομά της, ότι είναι μια «αδύναμη δύναμη» – είναι η μόνη δύναμη που μπορεί να αλλάξει την ταυτότητα άλλων θεμελιωδών υποατομικών σωματιδίων.

Οι πρώτες θεωρίες για την ασθενή πυρηνική δύναμη αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1930, όμως μια πιο σύγχρονη εκδοχή αναπτύχθηκε στις δεκαετίες του 1960 και του 1970. Σύμφωνα με την αποδεκτή θεωρία, η ασθενής πυρηνική δύναμη μεταφέρεται διαμέσου της ανταλλαγής δύο διαφορετικών υποατομικών σωματιδίων, που ονομάζονται μποζόνια W και Z. Και τα δύο σωματίδια ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο του CERN στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Είναι και τα δύο ασταθή και διασπώνται σχεδόν αμέσως μετά την δημιουργία τους. Για να προσδιορίσουν τις ιδιότητές τους, οι επιστήμονες βασίζονται στις ακριβείς μετρήσεις των προϊόντων διάσπασής τους. 

Το μποζόνιο Ζ είναι πιο εύκολο να μελετηθεί. Διασπάται σε σωματίδια που ανχνεύονται εύκολα. Μετρώντας τις ιδιότητες των προϊόντων διάσπασής του οι φυσικοί μπορούν να προσδιορίσουν τα χαρακτηριστικά του σωματιδίου Ζ. Έτσι, από το 1989 έως το 2000, στον επιταχυντή LEP του CERN μετρήθηκε η μάζα του μποζονίου Ζ με ακρίβεια 0,002%.

Η πρόκληση της μέτρησης του μποζονίου W

Η μελέτη του μποζονίου W είναι πολύ πιο δύσκολη. Μπορεί το μποζόνιο W να διασπάται με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, όμως ο πιο συνηθισμένος τρόπος είναι να διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο ή μιόνιο (λεπτόνια) που φέρει ηλεκτρικό φορτίο και σε ένα σωματίδιο που φέρουν ηλεκτρικό φορτίο και ένα άλλο ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο. Ενώ οι ιδιότητες του ηλεκτρικά φορτισμένου προϊόντος διάσπασης είναι εύκολο να μετρηθούν, το νετρίνο δεν αλληλεπιδρά με την ύλη του ανιχνευτή. Διαφεύγει και οι ιδιότητές του παραμένουν άγνωστες. Κι αυτός είναι ο λόγος που καθιστά τον προσδιορισμό της μάζας του μποζονίου W πολύ πιο δύσκολο σε σχέση με το μποζόνιο Z.

Οι ερευνητές που χρησιμοποιούσαν τον επιταχυντή LEP μπορούσαν να μετρήσουν τη μάζα του μποζονίου W με ακρίβεια μόνο 0,04%. Μια μέτρηση που έγινε στο Fermilab, χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή DZero, πέτυχε ακρίβεια 0,03%, ενώ ένα πείραμα που ονομάζεται CDF (Collider Detector at Fermilab) ανέφερε ακρίβεια 0,01%. Όμως, η μέτρηση του CDF διαφωνεί ουσιαστικά με όλες τις άλλες μετρήσεις, γεγονός που θέτει υπό αμφισβήτηση την αναφερόμενη ακρίβεια.

Τον Μάρτιο του 2023, το πείραμα ATLAS μέτρησε τη μάζα του μποζονίου W με ακρίβεια 0,02%. Ωστόσο, η πρόσφατη μέτρηση από πείραμα CMS (Compact Muon Solenoid) ξεπέρασε αυτή την ακρίβεια φτάνοντας στο 0,01%. Σε αντίθεση με το προηγούμενο ασυμβίβαστο αποτέλεσμα CDF, η μέτρηση CMS συμφωνεί με προηγούμενες μετρήσεις, γεγονός που προσδίδει αξιοπιστία στον αριθμό.

Η νέα μέτρηση, η πρώτη από το πείραμα CMS, χρησιμοποιεί μια νέα τεχνική που την καθιστά την πιο περίπλοκη έρευνα της μάζας του μποζονίου W μέχρι σήμερα. Με βάση την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων σχεδόν επί μια δεκαετία, το CMS βρήκε μια τιμή για την μάζα του μποζονίου W που συμφωνεί με τις θεωρητικές προβλέψεις, λύνοντας τελικά ένα μυστήριο πολλών ετών.

Η τελική ανάλυση των πειραματικών των δεδομένων χρησιμοποίησε 300 εκατομμύρια συμβάντα που συλλέχθηκαν κατά την λειτουργία του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) από το 2016, μαζί με 4 δισεκατομμύρια προσομοιωμένα συμβάντα. Από αυτό το σύνολο δεδομένων, η ομάδα ανακατασκεύασε και στη συνέχεια μέτρησε την μάζα από 100 εκατομμύρια και πλέον μποζόνια W. Bρήκαν ότι η μάζα του μποζονίου W είναι m_W=80360,2 ± 9,9 MeV (μεγα-ηλεκτρονιοβόλτ), κάτι που είναι σύμφωνο με την τιμή που προβλέπει το Καθιερωμένο Προτύπο των στοιχειωδών σωματιδίων m_W=80357±6 MeV. Διεξήγαγαν επίσης και μια ξεχωριστή ανάλυση που διασταυρώνει τις θεωρητικές υποθέσεις. Αν η μάζα του μποζονίου W ήταν διαφορετική από αυτή που περιμέναμε, τότε θα μπορούσαν να υπάρχουν νέες άγνωστες δυνάμεις και σωματίδια.

Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω η νέα μέτρηση CMS έχει ακρίβεια 0,01%. Αυτό το επίπεδο ακρίβειας αντιστοιχεί στη μέτρηση του μήκους ενός μολυβιού μήκους 4 ιντσών μεταξύ 3,9996 και 4,0004 ιντσών (1 ίντσα=2,54 εκατοστά). Αλλά σε αντίθεση με ένα μολύβι, το μποζόνιο W δεν έχει διαστάσεις (είναι σημειακό σωματίδιο) και έχει μάζα μικρότερη από ένα άτομο αργύρου. Ή αν το δούμε διαφορετικά, η ακρίβεια της μέτρησης είναι ισοδύναμη με τη μέτρηση του ύψους του Πύργου του Άιφελ με ακρίβεια μιας ίντσας. Η μέτρηση της μάζας του μποζονίου W με τέτοια ακρίβεια αποτελεί ένα μνημειώδες επίτευγμα.

πηγές:
1. New results from the CMS experiment put W boson mass mystery to rest – https://www.symmetrymagazine.org/article/new-results-from-the-cms-experiment-put-w-boson-mass-mystery-to-rest?language_content_entity=und
2. CERN experiment unlocks new insights into the W boson – https://bigthink.com/hard-science/decoding-the-w-boson-cern-measurements-break-new-ground/

Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: ΜΠΟΖΟΝΙΟ W, PHYSICS