Prvo merenje mase W bozona sa visokom preciznošću na LHC-u

Jedna od međunarodnih istraživačkih grupa u CERN-u kojoj rade i istraživači iz Srbije, poznata kao kolaboracija ATLAS, izazvala je veliku pažnju nakon što je 6. februara objavila rad u časopisu European Physical Journal C. Reč je o prvom merenju mase W bozona sa visokom preciznošću na Velikom sudaraču hadrona (Large Hadron Collider, LHC), najmoćnijem akceleratoru današnjice. W bozon je jedna od dve elementarne čestice koje su prenosioci takozvane slabe interakcije – jedne od četiri sile koje upravljaju ponašanjem materije u Univerzumu.

Kako se navodi u radu, izmerena vrednost mase W bozona iznosi 80370±19 MeV, što je u skladu sa predviđanjima Standardnog modela fizike elementarnih čestica, teorije koja opisuje strukturu materije, čestice i njihove interakcije. Ovo merenje je zasnovano na podacima o čak 14 miliona W bozona koji su na akceleratoru prikupljeni tokom jedne godine (2011), dok je LHC radio na energiji od 7 TeV.

W bozon je jedna od najtežih poznatih čestica u svemiru. Njegovo otkriće 1983. godine predstavlja krunu uspešnog rada tadašnjeg CERN-ovog akceleratora, Super proton-antiproton Synchrotron-a, što je dovelo do Nobelove nagrade za fiziku 1984. godine. Mada se osobine W bozona izučavaju već 30 godina, merenje njegove mase sa visokom previznošću predstavlja jedan od najvećih izazova moderne nauke.

„Ovako visoka preciznost uprkos zahtevnim uslovima u sudaraču hadrona kao što je LHC predstavlja ogroman izazov“, kaže koordinator za fiziku u ATLAS kolaboraciji, Tandredi Karli. „To je vrlo obećavajući nagoveštaj sposobnosti da unapredimo naše znanje o Standardnom modelu i da potražimo tragove nove fizike kroz merenja visoke preciznosti“.

Standradni model je vrlo moćan u predviđanju ponašanja i određenih karakteristika elementarnih čestica i omogućuje da se neki nepoznati parametri izvedu na osnovu drugih, već poznatih. Mase W bozona, top kvarka i Higsovog bozona uzajamno su, na primer, povezane kvantnim relacijama. Zato je izuzetno značajno da se poveća preciznom merenja mase W bozona kako bi se bolje razumeo Higsov bozon, unapredio Standardni model i testirala njegova konzistentnost kao uspešne teorije.

Masa W bozona se danas može predvideti sa preciznošću koja prevazilazi direktna merenja. Zbog toga je to ključni sastojak potrage za novom fizikom, pošto svako odstupanje merene mase od predviđanja Standardnog modela može da ukaže na nove fenomene.

Ovo merenje počiva na temeljnoj kalibraciji detektora i na teorijskom modeliranju produkcije W bozona. Ovo je postignuto ispitivanjem događaja sa Z bozonima i nekoliko drugih pomoćnih merenja. Kompleksnost analize je tolika da je ATLAS timu bilo potrebno skoro pet godina da ostvari ovaj rezultat. Dalja analiza ogromnog uzorka sada dostupnih LHC podataka će omogućiti još veću tačnost u bliskoj budućnosti.

Naučnici iz Srbije učestvuju u merenju mase W bozona

Na ovom projektu učestvuju i dva istraživača iz Srbije koji su saradnici ATLAS kolaboracije, jednog od timova naučnika koji rade u CERN-u, zajedno sa istraživačima iz francuskog instituta CEA-Saclay, zatim Univerziteta u Majncu, CERN-a, Oksforda i Instituta Nils Bor.

Na merenju mase W bozona u CERN-u radili su i viši naučni saradnik na Institutu za fiziku u Beogradu, dr Nenad Vranješ, kao i njegova studentkinja Aleksandra Dimitrevska koja je u novembru prošle godine doktorirala upravo na merenju mase ovih čestica.

„Precizno merenje mase W bozona je od vitalnog značaja jer je ta opservabla usko povezana sa masama top kvarka i Higsovog bozona“, kaže Nenad Vranješ, koji je bio i jedna od ko-editora rada koji je objavljen u časopisu European Physical Journal C. „Treba napomenuti da je ovo rezultat visokog profila, prvi takav rezultat na LHC-u. Po preciznosti od 19 MeV odgovara rezultatu postignutom na eksperimentima CDF i D0 na Tevatronu“, objašnjava Vranješ, dodajući da je eksperimentima na Tevatronu bilo potrebno 20 godina da dostignu takvu preciznost, dok je ATLAS grupa radila pet godina.

Vranješ napominje da se ovakva merenja moraju nastaviti sve dok eksperimentalna preciznost ne dostigne, ili prestigne neodređenost od 8 MeV koju predviđa teorija. Ovo istraživanje je samo jedno od brojnih u kojima u CERN-u učestvuju istraživači sa Instituta za fiziku i Univerziteta u Beogradu. To je moguće jer je Institut za fiziku član kolaboracije ATLAS od 2003, a Republika Srbija pridružena članica CERN-a od 2012. godine.

(Izvor: IPB)