Новое измерение массы Z-бозона с помощью Большого адронного коллайдера!⁠⁠

Эксперимент LHCb совершил прорыв в точной физике на Большом адронном коллайдере (БАК). В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters и доступной в настоящее время на сервере препринтов arXiv, коллаборация LHCb сообщает о первом специальном измерении массы Z-бозона на БАК с использованием данных о столкновениях протонов при высоких энергиях, зарегистрированных в 2016 году во время второго запуска коллайдера.

Z—бозон - это массивная электрически нейтральная частица, которая является посредником между слабыми ядерными взаимодействиями - одним из фундаментальных взаимодействий в природе. Обладая массой около 91 миллиарда электронвольт (ГэВ), он входит в число самых тяжелых известных элементарных частиц.

Открытый в ЦЕРНе более 40 лет назад, наряду с W—бозоном, Z-бозон сыграл центральную роль в подтверждении стандартной модели физики элементарных частиц - прорыве, который привел к присуждению Нобелевской премии по физике в 1984 году. Точное измерение его массы остается важным для тестирования стандартной модели и поиска признаков новой физики.

Новое измерение на БАК основано на выборке из 174 000 Z-бозонов, распадающихся на пары мюонов, более тяжелых родственников электрона. В результате измерений масса составила 91 184,2 миллиона электронвольт (МэВ) с погрешностью всего в 9,5 МэВ, или около сотых долей процента.

Результат согласуется с измерениями, проведенными на электрон–позитронном коллайдере LEP, предшественнике БАК, и экспериментом CDF на бывшем протон–антипротонном теватронном коллайдере в США. Кроме того, это соответствует точности предсказания стандартной модели, неопределенность которого составляет 8,8 МэВ.

Измерения LHCb показывают, что этот уровень точности может быть достигнут на БАКЕ, несмотря на сложную среду протон–протонных столкновений, в которой одновременно образуется множество частиц.

Это достижение открывает двери для дальнейших исследований массы Z-бозона на БАК и будущих БАК с высокой светимостью, включая долгожданный анализ результатов экспериментов ATLAS и CMS. Важно отметить, что экспериментальные погрешности при измерении массы Z-бозона в значительной степени независимы во всех экспериментах на БАКЕ, а это означает, что среднее значение измерений будет иметь меньшую погрешность.

"БАК с высокой светимостью потенциально может поставить под сомнение точность измерения массы Z-бозона с помощью LEP — то, что казалось немыслимым в начале программы LHC", - говорит представитель LHCb Винченцо Вагнони (Vincenzo Vagnoni). "Это проложит путь для предполагаемых будущих коллайдеров, таких как FCC-ee, для достижения еще большего скачка в точности".