Od doby, kdy byl uzavřen urychlovač Tevatron ve Fermilabu ve Spojených státech, uplynulo už více než 11 let. Přesto i teď se dokončují některé analýzy dat získaných v době jeho provozu. Zvláště se to týká velice přesného určování hmotností a dob života částic. Problémem je, že v těchto případech je potřeba co nejdetailněji analyzovat všechny vlastnosti a nedostatky daného zařízení a co nejpřesněji určit nejistoty určení dané veličiny, které jsou s nimi spojeny. Zvláště se to týká parametrů takových částic, jako je třeba W boson, které mají značný počet i poměrně složitých kanálů rozpadu.

V současné době tak fyzikové pracující na experimentu CDF publikovali komplexní analýzu všech dat získaných v letech 1985 až 2011 o rozpadech W bosonu. Jde o částici, která je spojena se slabou interakcí a její hmotnost je zhruba 80 GeV/c², je tedy více než osmdesátkrát těžší než proton.

 

První hodnota hmotnosti W bosonu získaná tímto experimentem byla publikována již v roce 2012. Současná analýza je na větší statistice, a právě velice pečlivým rozborem zdrojů nejistot, pochopením vlivu všech nuancí komplexního experimentálního zařízení a vylepšením metodiky analýzy s daleko lepší kalibrací všech detekčních systémů se podařilo dramaticky zvýšit přesnost. Nově určená hodnota je 80,434 GeV/c² s nejistotou pouze 0,009 GeV/c².

 

Tuto hodnotu lze srovnat s předchozími měřeními z experimentů na urychlovačích LEP v laboratoři CERN, Tevatron ve Fermilabu i současnými měřeními experimentů na urychlovači LHC. Zároveň je však možné ji srovnat s teoretickou hodnotou získanou ze současné teorie struktury hmoty, kterou je Standardní model hmoty a interakcí. Podrobnější rozbor této teorie a částic, které s v ní vyskytují, je v dřívějším přehledovém článku na Oslovi.

Pokud se objeví rozdíl mezi hmotností pozorovanou v experimentu a zjištěnou ze Standardního modelu, byla by to známka vlivu nové exotické fyziky. Standardní model by k popisu této hmotnosti nestačil a musela by se využít komplexnější teorie, která jej obsahuje a přesahuje. A právě velikost tohoto rozdílu by nám o této nové teorii ledacos naznačila.

Hodnota hmotnosti, která ze Standardního modelu vychází, je 80,357 GeV/c² s nejistotou pouze 0,006 GeV/c². Je tak vidět, že se experimentální a modelová hodnota opravdu liší a rozdíl přesahuje odhadnuté nejistoty. Takže by se zdálo, že je vše jasné.

 

Bohužel tomu však není. Když se podíváme na předchozí měřené hmotnosti W bosonu, tak právě dvě nejpřesnější se od nově získané hodnoty liší a odpovídají spíše právě předpovědi Standardního modelu. První získal experiment D0 využívající také urychlovač Tevatron a druhou pak experiment ATLAS pracující na urychlovači LHC. Jejich deklarovaná nejistota je sice větší, než je tomu u nové hodnoty experimentu CDF, ale přesto dostatečně malá.

 

 

Přehled dosavadních výsledků měření hmotnosti W bosonu. Rozmazanou šedou linií je zobrazena předpověď Standardního modelu. (Zdroj Science, vol 376, No. 6589).

 

Rozpor mezi těmito hodnotami bude potřeba vysvětlit novými reanalýzami dat, které by v některém z nich našly problém a chybu. Nebo je možné jej vyřešit novým přesnějším experimentálním měřením. Jednou z možností je detailní analýza dat již získaných experimenty na urychlovači LHC. Ty začaly pracovat a získávat data těsně před koncem činnosti urychlovač Tevatron. Zatím tak jejich týmy neměly dost času na podobně komplexní a detailní analýzu a poznání svých experimentálních sestav, jak se to povedlo u dat experimentu CDF. Další možností je vysoká statistika, která se nahromadí při třetím běhu experimentování na urychlovači LHC, který se rozbíhá právě nyní.

 

Je také třeba připomenout, že i hodnota hmotnosti W bosonu získaná ze Standardního modelu má své nejistoty. Jako volné parametry, které je třeba určit z experimentu do něj vstupují hmotnosti t kvarku, Z bosonu a Higgsova bosonu. A i jejich přesnost měření má svou nejistotu, a ty má i samotný výpočet hmotnosti W bosonu v jeho rámci. Je tak jasné, že pozorovaný rozdíl mezi novým měřením experimentu CDF a Standardním modelem je sice zajímavým náznakem, ale bez vyřešení zmíněných problémů je třeba k němu přistupovat opatrně. Ovšem tím více je možné se těšit na nová data získaná v třetím běhu experimentu LHC. Ten bude díky vyšší energii a intenzitě svazku opravdu nástrojem pro opravdu masivní produkci obrovského počtu W bosonů. Přehled vylepšení urychlovače LHC před třetím během experimentování a dosavadní výsledky jsou popsány v nedávném článku na Oslovi.