입자의 놀라운 질량은 표준 모델을 뒤집을 위협

[이매진]

입자의 놀라운 질량은 표준 모델을 뒤집을 위협

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01014-5

입자의 놀라운 질량은 표준 모델을 뒤집을 위협

오래된 실험의 데이터는 W 보존의 질량이 이론이 예측한 것보다 더 높다는 것을 발견하여 미래의 돌파구를 암시합니다.

• 다비드 카스텔베키 & 
• 엘리자베스 기브니

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일리노이주 바타비아의 페르밀랩에 있는 Tevatron 입자 충돌기는 한때 세계에서 가장 강력한 가속기였습니다. 크레딧: Granger/Alamy

일리노이주 시카고 외곽의 휴게소에서 오랫동안 중단된 실험이 소립자 장을 균형에서 무너뜨리겠다고 위협하고 있습니다. 물리학자들은 실험의 오래된 데이터에서 중요한 새로운 측정값을 짜내기 위해 10년 동안 노력했으며 결과가 이제 나왔습니다. 팀은 약한 핵력을 운반하는 기본 입자인 W 보존이 이론보다 훨씬 무겁다는 것을 발견했습니다. 예측한다.

이론적인 예측값과 실험값의 차이는 0.09%에 불과하지만, 0.01% 미만인 결과의 오차 한계보다 훨씬 더 크다. 이 발견은 또한 질량의 다른 측정값과 일치하지 않습니다. Fermi National Accelerator Laboratory(Fermilab)에서 CDF라고 하는 최신 실험을 실행한 공동 작업은 4월 7일 Science 1 에 그 결과를 보고했습니다.

스위스 취리히 대학의 실험 입자 물리학자인 플로렌시아 카넬리는 "이 측정은 우리 분야에서 매우 흥미롭고 정말 기념비적인 결과"라고 말했습니다. 다른 실험을 통해 확인된다면 1970년대 도입된 이후 눈부신 성공을 거둔 이론인 입자물리학의 표준 모델에 대한 최초의 중대한 위반이 될 수 있다. 그러나 표준 모델은 불완전한 것으로 알려져 있으며, 그 실패의 암시는 대체 및 새로운 소립자의 존재로 가는 길을 가리킬 수 있습니다. CDF 연구를 주도한 노스캐롤라이나 주 더럼에 있는 듀크 대학의 실험 입자 물리학자인 Ashutosh Kotwal은 "자연이 우리를 위해 무엇을 저장할 수 있는지에 대한 이 특별한 측정에 강력한 단서가 있다고 믿습니다."라고 말했습니다.

일부 물리학자들은 주의를 기울입니다. 실험 데이터에서 W 보손 질량 측정을 생성하는 것은 복잡하기로 유명합니다. 이 작업은 인상적이지만 "표준 모델과의 상당한 차이를 새로운 물리학의 신호로 해석하는 것은 조심스럽습니다."라고 독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학의 물리학자인 마티아스 쇼트(Matthias Schott)는 말했습니다. CERN, 스위스 제네바 근처 유럽의 입자 물리학 연구소. 물리학자들은 왜 그 값이 최근의 다른 결과와 다른지 알아내는 데 우선순위를 두어야 한다고 그는 말합니다.

과체중 입자

1983년에 발견된 이후 실험을 통해 W 보존의 무게가 85개 양성자에 달하는 것으로 계산되었습니다. 그러나 정확한 질량을 정량화하는 것은 어려웠습니다. 첫 번째 실험 추정치는 5% 이상의 오차 한계를 보였습니다. CERN의 LHCb 실험에서 이 측정을 연구하고 있는 영국 워릭 대학의 입자 물리학자인 Mika Vesterinen은 “W 보존 질량의 측정은 틀림없이 우리 분야에서 측정하기 가장 어려운 단일 매개변수일 것입니다.”라고 말했습니다.

사촌인 Z 보존과 함께 W는 태양에 동력을 공급하는 핵융합을 포함하여 대부분의 유형의 핵 반응에 관여합니다 . W 및 Z 보존은 모든 전자기 상호 작용이 광자의 교환을 포함하는 방식과 유사하게 자연의 4가지 기본 힘 중 하나인 약한 핵력을 전달합니다.

충돌기는 높은 에너지에서 입자를 함께 부수어 W 보손을 생성합니다. 실험은 일반적으로 일종의 전자 또는 더 무거운 사촌인 뮤온과 중성미자로의 붕괴를 통해 감지합니다. 중성미자는 흔적도 없이 탐지기를 벗어나는 반면 전자나 뮤온은 눈에 띄는 흔적을 남깁니다.

붕괴 과정에서 W의 원래 질량의 대부분은 새로운 입자의 에너지로 변환됩니다. 물리학자들이 그 에너지와 모든 붕괴 입자의 경로를 측정할 수 있다면, 그들은 그것을 생성한 W의 질량을 즉시 계산할 수 있습니다. 그러나 중성미자를 추적할 수 없다면 전자나 뮤온 에너지의 어느 부분이 W의 질량에서 오는지, 그리고 그 운동량에서 오는 것인지 확실히 말할 수 없습니다. 이것은 측정을 "악명 높게 어렵게" 만든다고 Vesterinen은 말합니다. "감쇠의 절반만 보일 때 질량을 구성하려고 합니다."

Fermilab의 CDF 검출기에서 입자 충돌의 컴퓨터 이미지는 양전자(자홍색 블록, 왼쪽 아래)와 보이지 않는 중성미자(노란색 화살표)로 붕괴하는 W 보존을 보여줍니다. 크레딧: Fermilab/Science Photo Library

오래된 실험, 새로운 트릭

최신 연구에서 Kotwal과 그의 동료들은 W의 질량을 가장 정밀하게 측정하는 것을 목표로 했습니다. 데이터는 모두 2011년까지 수집되었는데, 당시 Fermilab의 Tevatron 은 양성자와 반양성자를 충돌시킨 6km 길이의 원형 기계이며 한때 세계에서 가장 강력한 가속기였습니다. 그러나 그 당시에는 최신 측정이 불가능했을 것이라고 Kotwal은 말합니다. 그 대신, 데이터 분석 기술의 꾸준한 개선과 입자 물리학 커뮤니티에서 충돌 시 양성자와 반양성자가 어떻게 행동하는지에 대한 이해가 개선된 결과입니다. "우리가 2012년까지 배우지 못한 그런 종류의 정밀도를 달성하기 위한 많은 기술이 있습니다."

팀은 2002년과 2011년에 생산된 CDF 검출기 내부에서 생산된 대략 400만 W 보존을 조사했습니다. 이는 2012년 2 의 첫 번째 측정에서 사용한 것보다 4배 더 큰 데이터 세트 입니다. 그들은 자기장에서 궤도가 어떻게 구부러지는지를 측정하여 각 붕괴 전자의 에너지를 계산했습니다. Kotwal은 지난 10년 동안 공들인 발전 중 하나는 궤적의 해상도를 대략 150미크론에서 30미크론 미만으로 개선한 것이라고 말했습니다.

전자의 에너지 분포를 매핑한 후 팀은 데이터에 가장 적합한 보손 질량을 계산했습니다. 이는 80,433메가전자볼트(MeV)였으며 오차 마진은 9.4MeV에 불과했습니다.

그 결과는 전 세계의 주요 입자 충돌기에서 생성된 W 질량 측정의 클러치에 합류했습니다. CERN에서 입자가 발견된 이후로 정밀도가 향상되었습니다. Tevatron의 다른 주요 검출기인 CDF와 DZero를 연구하는 연구원들은 W 질량 2 , 3 의 덜 정확한 측정값을 더 일찍 발표했습니다 . 세계에서 가장 강력한 가속기인 CERN의 Large Hadron Collider에서 ATLAS 및 LHCb 실험도 자체 값 4 , 5 를 발표했습니다 .

최신 CDF 결과는 ±19의 마진으로 ATLAS 측정값이 80,370 MeV인 이전 기록 보유자의 정밀도를 두 배로 높인다고 주장합니다. 그러나 결과는 80,357 MeV의 최상의 이론적 예측과 모두 호환되는 여러 이전 측정과 일치하지 않습니다. ATLAS와 LHCb는 W 보손 측정값을 업데이트하고 있으며 몇 년 안에 CDF 결과의 정밀도에 도달할 수 있어야 하며 이를 확인하거나 도전할 수 있다고 Vesterinen은 말합니다.

실험의 차이점은 팀이 질량 계산에 영향을 미치는 W 보손의 생산을 모델링하는 방법에 있습니다. LHC 물리학자들은 이전에 CDF에서 사용하는 Resbos라는 프로그램의 결함을 강조했습니다. 개선된 반복이 존재합니다. 그러나 Kotwal은 CDF 연구원들이 오래전부터 원래의 기술을 선택했고 결과가 이론과 수렴되도록 기술을 변경하는 것은 잘못되었을 것이라고 말합니다.

이론의 비애의 선구자

대량 결과가 유지되면 이론가들은 현장의 날을 가질 것입니다. 이론 물리학자들은 표준 모델의 가설적인 확장이나 개혁의 과잉을 만들어냈고, 많은 경우 그것들은 또한 바닐라 이론과 비교하여 W 보존의 다른 질량을 예측하기도 합니다. 스페인 칸타브리아 물리학 연구소(Physics Institute of Cantabria)의 이론가인 스벤 하이네마이어(Sven Heinemeyer)는 “W의 질량은 새로운 물리학과 표준 모델의 편차를 찾기에 완벽한 장소입니다.

불일치에 대한 Heinemeyer의 가장 좋아하는 설명은 각 표준 모델 입자에 대해 더 무거운 파트너의 존재를 예측하는 모델인 초대칭입니다. 이러한 입자는 W 입자를 둘러싸고 있는 진공 상태에서 계속해서 튀어나왔다 나갔다 할 수 있어 W 입자를 더 무겁게 만듭니다.

다른 가능한 설명은 2012년 LHC가 발견한 또 다른 입자인 힉스 입자와 관련이 있습니다. 힉스의 속성이 현재 이론화된 것과 다른 경우(예: 기본 입자가 아닌 복합 입자이거나 여러 버전이 있는 경우) 그것의 존재 - 이것은 W 질량에 영향을 미칠 것입니다.

CMS라고 하는 또 다른 주요 LHC 실험은 W 보존의 질량을 자체적으로 측정하는 작업을 하고 있다고 CMS 협력의 선두 연구원인 Canelli는 말합니다(Canelli는 CDF 협력의 일원이기도 하지만 최신 생성에는 관여하지 않았습니다. 이해 충돌을 피하기 위한 결과). "그것은 우리 물리학 프로그램에서 가장 중요한 측정 중 하나입니다."