Dlaczego naukowcy są zaniepokojeni W Bosonem: „Coś jest nie w porządku”

Być może słyszałeś o protonach, które są dodatnimi punktami potwierdzającymi atomy. Prawdopodobnie natknąłeś się na elektrony, ujemne błyski wędrujące wokół tych protonów. Być może myślałeś o fotonach i rzeczach wychodzących z lamp w twoim pokoju.

Ale na razie musimy się martwić dziwną małą cząsteczką uciekającą z reflektorów: bozon W.

Wraz ze swoim wspólnikiem w zbrodni, bozonem Z, bozon W dyktuje tzw. „słabą siłę”. Uratuję cię od króliczej nory, w której działa słaba siła, ponieważ dotyczy to fizyki, która rozsadzi nasze umysły. Zaufaj mi. Po prostu wiedz, że bez słabej siły Słońce przestanie palić.

Zresztą z bozonem W jest dramat. według Artykuł opublikowany w czwartek w czasopiśmie Science, 10 lat niewyobrażalnie dokładnych danych wskazuje, że cząsteczka jest większa niż przewiduje to nasza fizyka. O ile nie jesteś fizykiem, na pierwszy rzut oka może się to wydawać trywialne. Ale to właściwie duży problem dla… wszystkiego.

Mówiąc dokładniej, podnosi paradoks Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, ugruntowanej i ewoluującej teorii, która wyjaśnia, jak zachowują się wszystkie cząstki wszechświata – protony, elektrony, fotony, a nawet te, o których tak naprawdę nie słyszymy, jak gluony. , miony, mogę iść dalej. Tam też jest bozon W.

„To jeden z kamieni węgielnych Modelu Standardowego” – powiedział Giorgio Chiarelli, dyrektor ds. badań w Istituto Nazionale di Fisica Nucleare we Włoszech i współautor badania.

Ale to jest istota Modelu Standardowego. To jak królestwo cząstek symbiotycznych. Pomyśl o każdej części w modelu jak o sznurku, doskonale zorganizowanym, aby wszystko ze sobą związać. Jeśli jedna z nitek jest za ciasna, wszystko zaczyna się trząść – nie ma znaczenia, którą nitkę. W związku z tym Model Standardowy przewiduje pewne parametry dla każdej „struny” lub cząstki, a jednym z bardzo ważnych czynników jest masa bozonu W.

Mówiąc najprościej, jeśli ta cząstka nie jest równa tej masie, to reszta modelu nie będzie działać idealnie. A jeśli to prawda, będziemy musieli zmienić paradygmat – będziemy musieli zmienić nasze rozumienie tego, jak Wszystkie cząstki we wszechświecie Praca.

Pamiętasz nowy arkusz? Wkraczamy w ten najgorszy scenariusz.

Dziesięć lat obliczeń, pomiarów, badań krzyżowych, drapania się w głowę i głębokiego oddychania od prawie 400 międzynarodowych badaczy wykazało, że bozon W jest nieco cięższy niż przewiduje model standardowy.

„To nie jest wielka różnica, ale naprawdę wyraźnie widzimy, że jest inna” – powiedział David Tobak, fizyk cząstek z Texas A&M University i współautor badania. „coś jest nie tak”.

Możesz się zastanawiać, czy jesteśmy tego pewni. Społeczność naukowa miała taką samą reakcję, dlatego naukowcy koncentrują się teraz na laserach, aby potwierdzić, że tak duża masa bozonu W jest rzeczywiście prawdą.

„Mogliśmy zrobić to źle,” powiedział Tupac. Ale szybko dodał: „Nie sądzimy”.

Ponieważ, jak wyjaśnia Tupac, zespół „zmierzył tę niewielką różnicę z niewiarygodną dokładnością, że wystaje jak obolały kciuk”. Co zaskakujące, te pomiary są nieco podobne do wnioskowania o stylu miejsca zbrodni.

Zobacz, czego brakuje

Aby uzyskać bozon W w pierwszej kolejności, musisz dosłownie rozbić dwa protony.

Powoduje to powstanie wielu innych cząstek Modelu Standardowego, a naukowcy muszą tylko mieć nadzieję, że jedna z tych cząstek jest tą, którą chcą zbadać. (W tym przypadku jest to bozon W).

Do nowych pomiarów naukowcy wykorzystali dane o zderzeniach z wycofanego z użytku akceleratora cząstek w Fermi National Accelerator Laboratory w Illinois. Na szczęście zrobiłem trochę bozonów W i faktycznie zachowałem wystarczająco dużo danych o bozonach W, aby uzyskać około czterokrotność ilości używanej w poprzednich pomiarach. Wygrana Jackpota.

Ale jest komplikacja. Znika bozon W. Szybko dzieli się na dwie mniejsze cząstki, więc nie można go zmierzyć bezpośrednio. Jednym z nich jest elektron lub mion, który może Można go zmierzyć bezpośrednio, ale drugi jest prawdopodobnie dziwniejszy niż sam bozon W: neutrino.

Neutrina są trafnie nazywane „cząsteczkami duchów” Ponieważ niczego nie dotykają. Powiększają teraz twoje zdjęcia, ale nie możesz tego stwierdzić, ponieważ nie dotykają atomów, z których składa się twoje ciało. Dziwne, wiem.

Ta upiorna przeszkoda oznacza, że ​​naukowcy muszą być kreatywni. Wejdź w sztukę odliczenia.

Kiedy neutrina znikną, pozostawiają po sobie rodzaj dziury. „Efektowi neutrinowemu brakuje energii” – powiedział Chiarelli. „To mówi nam, dokąd poszło neutrino i ile energii zostało przeniesione”.

To coś w rodzaju tej samej koncepcji, co promienie rentgenowskie. „Promienie rentgenowskie przechodzą, ale do punktu, w którym znajduje się kawałek metalu, można zobaczyć kształt” – powiedział Chiarelli. „Kształt” to „brakująca energia”.

Następnie, po rozszyfrowaniu neutrina, naukowcy wykorzystali zestaw złożonych równań, aby połączyć je z danymi dotyczącymi elektronów lub mionów. Prowadzi to do całkowitej masy bozonu W. Ten pomiar był wykonywany wiele razy, aby upewnić się, że wszystko jest jak najdokładniejsze. Ponadto wszystkie dane zostały poparte obliczeniami teoretycznymi, które rozwinęły się od czasu ostatniego pomiaru bozonu W.

Jednak… jest jeszcze jedna komplikacja.

Podobnie jak w przypadku wszystkich przedsięwzięć naukowych, nie ma dobrej lub złej odpowiedzi. Jest tylko plik Odpowiedź. Ale tak jak w przypadku każdej ludzkiej myśli, istnieje ryzyko stronniczości, a zespół nie chce paść ofiarą tak osobistego błędu. Tupac cytuje Sherlocka Holmesa jako wyjaśnienie mentalności zespołu: „Trzeba znaleźć teorie, które pasują do faktów, a nie fakty pasujące do teorii”.

„Czy to jest bardziej stresujące?” Notatka. „Tak, ale natura nie dba o moją presję. Chcemy poznać odpowiedź”.

Tak więc zespół nie tylko sprawdzał swoje dane dwa, trzy lub cztery razy, ale całkowicie wykluczył ostateczną odpowiedź. Gdy pudełko zawierające wynik masy bozonu W zostało otwarte, wszyscy patrzyli na nią po raz pierwszy.

Szybko do roku 2020, kiedy napięcia są wysokie, pudło w końcu się otwiera, a masa bozonu W wyraźnie kontrastuje z przewidywaniami Modelu Standardowego.

– To nie była chwila Eureki – powiedziała Chiarelli. „To był dość realistyczny moment. Byliśmy sceptyczni. Nauka jest zorganizowana w sceptycyzmie”.

Ale z biegiem czasu ta wątpliwość rozwiała się i oto jesteśmy.

Całość wygląda bardzo solidnie. Co teraz?

W pewnym sensie ta informacja napływała od dłuższego czasu. „Od początku wiedzieliśmy, że Model Standardowy nie może być ostateczną teorią” – powiedział Chiarelli.

Na przykład dobrze znany Model Standardowy nie potrafi wyjaśnić grawitacji, Ciemna materiai wiele innych przetasowań aspekty naszego wszechświata.

Jednym z pomysłów jest to, że te nowe informacje o masie bozonu W mogą oznaczać, że musimy dodać kilka cząstek do Modelu Standardowego, aby uwzględnić tę zmianę. To z kolei może wpłynąć na to, co wiemy o słynnym bozonie Higgsa, czyli „cząstce Boga”, która została ostatecznie odkryta w 2012 roku i poznana Z niesamowitym aplauzem.

„Ale nas tam nie ma,” powiedział Tupac. To tylko przypuszczenie”.

Zamiast spekulować, Tupac i Chiarelli zgadzają się, że powinniśmy po prostu podążać za faktami, nawet jeśli wiemy, że fakty doprowadzą nas pewnego dnia do nowej fundamentalnej teorii fizyki cząstek elementarnych.

„To jak poruszanie się w ciemności” – powiedział Chiarelli. „Wiesz, że jest tylko jeden właściwy sposób, ale nie wiesz, gdzie… może nasz pomiar może wskazać nam właściwy kierunek ruchu”.