Fizyka cząstek elementarnych przypomina czasem sprawdzanie bardzo precyzyjnego mechanizmu. Model Standardowy opisuje znane cząstki i oddziaływania z niezwykłą dokładnością, ale naukowcy wiedzą, że nie jest teorią ostateczną. Nie wyjaśnia m.in. ciemnej materii, przewagi materii nad antymaterią ani natury grawitacji kwantowej. Dlatego badacze szukają miejsc, w których ten model mógłby choć minimalnie rozminąć się z pomiarem.

Jednym z takich miejsc jest masa bozonu W. Bozony W i Z są nośnikami oddziaływania słabego, odpowiedzialnego m.in. za niektóre rozpady promieniotwórcze. W Modelu Standardowym ich masy są powiązane z innymi wielkościami, takimi jak masa bozonu Higgsa, masa kwarku t (top) czy stałe oddziaływań. Jeśli wszystkie te elementy potraktować jak części jednej układanki, masa bozonu W powinna wypaść w bardzo określonym miejscu. Gdyby precyzyjny pomiar wskazał inną wartość, mogłoby to oznaczać wpływ nieznanych, ciężkich cząstek, których nie umiemy jeszcze bezpośrednio wytworzyć w akceleratorach.

Właśnie dlatego tak duże poruszenie wywołał ogłoszony kilka lat temu pomiar eksperymentu CDF z Fermilab (Narodowe Laboratorium Przyśpieszania Cząstek Elementarnych im. Enrica Fermiego, USA). Wskazał on masę bozonu W wyraźnie większą niż przewidywania Modelu Standardowego i niż większość wcześniejszych pomiarów. Różnica była na tyle duża, że zaczęto mówić o jednej z najciekawszych zagadek współczesnej fizyki cząstek. Nowa praca zespołu CMS, opublikowana w „Nature” (doi: 10.1038/s41586-026-10168-5), jest ważnym krokiem w jej wyjaśnianiu.

Eksperyment CMS działa przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN, Francja/Szwajcaria). W analizie wykorzystano dane z 2016 r. zderzeń protonów o energii 13 TeV. Badacze wybrali ponad 117 mln przypadków, w których bozon W rozpadał się na mion i neutrino. To ogromna próbka, ale sama liczba zdarzeń nie rozwiązuje problemu. Neutrino prawie nie oddziałuje z materią, więc nie zostawia bezpośredniego śladu w detektorze. Masy bozonu W nie można więc po prostu obliczyć z pełnego obrazu rozpadu. Trzeba ją odtworzyć pośrednio, przede wszystkim z bardzo dokładnie zmierzonego ruchu mionu.

To jakby chcieć ustalić masę niewidocznego obiektu na podstawie tego, jak oddziałuje z fragmentem układu, który umiemy obserwować. W CMS tym obserwowalnym fragmentem jest mion — cząstka podobna do elektronu, ale cięższa. Jej tor w silnym polu magnetycznym zakrzywia się, a z tego zakrzywienia można wyznaczyć pęd. Cały pomiar zależy więc od znakomitej znajomości detektora: pola magnetycznego, geometrii krzemowego układu śledzącego, strat energii cząstek w materiale i sprawności rekonstrukcji torów.

Autorzy wykonali bardzo rozbudowaną kalibrację. Do ustawienia skali pędu mionów użyli m.in. rozpadów rezonansu J/ψ na pary mionów, a poprawność procedury sprawdzali na rozpadach bozonu Z. To istotne, bo masa bozonu Z jest znana z wyjątkową dokładnością. Jeśli ta sama metoda dobrze odtwarza znaną masę Z, zwiększa to zaufanie do pomiaru masy W. W pracy wykonano również tzw. pomiar „W-podobny” bozonu Z, w którym jeden z mionów traktowano tak, jakby był niewidzialny. Był to test, czy analiza radzi sobie z sytuacją podobną do rozpadu W, gdzie jeden z produktów - neutrino - ucieka z detektora.

Ostateczny wynik CMS to 80 360,2 ± 9,9 MeV. Jest on zgodny z przewidywaniem Modelu Standardowego uzyskanym z globalnego dopasowania danych oddziaływań elektrosłabych, wynoszącym około 80 353 ± 6 MeV. Jednocześnie wynik ten nie zgadza się z wcześniejszym, wyższym pomiarem CDF. Co ważne, precyzja CMS jest porównywalna z precyzją CDF i lepsza niż we wcześniejszych pomiarach LHC (Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN), co czyni tę pracę jednym z najważniejszych głosów w sporze o masę bozonu W.

Dwa najważniejsze wnioski z pracy CMS to kolejny bardzo wymagający test który przeszedł Model Standardowy oraz podważenie zagadki pomiaru CDF. Tamte wyniki stają się problemem wymagającym dalszego porównania metod, danych i niepewności. To przykład, jak współczesna fizyka przesuwa granice wiedzy: nie tylko przez odkrywanie nowych cząstek, ale także przez coraz dokładniejsze mierzenie tych, które już znamy.

W pracach zespołu CMS biorą udział fizycy i inżynierowie z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Warszawskiego oraz Politechniki Warszawskiej. (PAP)

kmp/ zan/