Najbardziej precyzyjne pomiary masy bozonu W są rozbieżne z Modelem Standardowym
Po 10 latach analiz i wielokrotnego sprawdzania wyników, badacze z projektu CDF collaboration prowadzonego przez Fermi National Accelarator Laboratory (Fermilab) ogłosili, że dokonali najbardziej precyzyjnych pomiarów masy bozonu W, nośnika jednego z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych. Uzyskane wyniki sugerują, że Model Standardowy powinien zostać poprawiony lub poszerzony.
Znamy cztery podstawowe oddziaływania fizyczne: grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne i silne. Bozon W jest nośnikiem oddziaływań słabych. Specjaliści z Fermilab, wykorzystując dane z Collider Detector at Fermilab (CDF) okreslili masę bozonu W z dokładnością do 0,01%. Pomiar jest dwukrotnie bardziej dokładny niż dotychczasowe. Po jego wykonaniu naukowcy wykorzystali nową wartość do przetestowania Modelu Standardowego.
Wprowadziliśmy olbrzymią liczbę poprawek i dodatkowych weryfikacji. Wzięliśmy pod uwagę nasze lepsze rozumienie samego wykrywacza cząstek oraz postępy w teoretycznym i eksperymentalnym rozumieniu interakcji bozonu W z innymi cząstkami. Gdy w końcu przeprowadziliśmy wszystkie obliczenia okazało się, że różnią się one od przewidywań Modelu Standardowego, mówi Ashutosh V. Kotwal z Duke University, który stał na czele grupy wykonującej obliczenia. Jest on jednym z 400 naukowców skupionych wokół CDF collaboration.
Nowe pomiary w wielu aspektach zgadzają się z wcześniejszymi pomiarami masy bozonu W, ale w niektórych są z nimi rozbieżne. Dlatego też konieczne będą kolejne badania. To bardzo intrygujące wyniki, ale do ich pełnego wyjaśnienie konieczne jest potwierdzenie w ramach innych eksperymentów, mówi zastępca dyrektora Fermilab, Joe Lykken.
Bozon W, nośnik oddziaływań słabych, jest m.in odpowiedzialny za procesy powodujące, że Słońce świeci, a cząstki się rozpadają. Fermilab, a którym działał niezwykle zasłużony dla nauki akcelerator Tevatron, dysponuje olbrzymią ilością danych zbieranych w latach 1985–2011. Pomiary CDF były prowadzone przez wiele lat. Wyniki tych pomiarów były ukryte w danych, które trzeba było szczegółowo przeanalizować. Gdy w końcu je uzyskaliśmy, byliśmy zdumieni, mówi fizyk Chris Hays z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Masa bozonu W jest około 80-krotnie większa od masy protonu i wynosi około 80 000 MeV/c2. Teraz naukowcy z Fermilab ją uściślili. Dzięki ich pracy wiemy, że wynosi ona 80 433 ± 9 MeV/c2. Wynik ten bazuje na badaniach 4,2 milionów bozonów W uzyskanych w Fermilab.
W ciągu ostatnich 40 lat eksperymenty w wielu akceleratorach pozwoliły na badanie bozonu W. To bardzo trudne, złożone pomiary, które cały czas są doprecyzowywane. Nam praca zajęła wiele lat. Dokonaliśmy najbardziej precyzyjnych pomiarów, dzięki czemu mogliśmy stwierdzić, że istnieje rozbieżność pomiędzy wartością zmierzoną, a oczekiwaną, mówi rzecznik CDF collaboration Giogrio Chiarelli z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej.
Najbardziej precyzyjne obliczenia masy bozonu W wykonane na podstawie Modelu Standardowego – w których wykorzystuje się pomiary masy kwarka górnego i bozonu Higgsa – dają wynik 80 357 ± 6 MeV/c2. Różnica pomiędzy teoretycznymi obliczeniami a wykonanymi pomiarami jest więc widoczna. Teraz autorzy kolejnych eksperymentów oraz fizycy teoretyczni powinni spróbować ją wyjaśnić. Jeśli różnica pomiędzy wynikiem eksperymentów a teoretycznymi obliczeniami jest spowodowana istnieniem jakiegoś nowego oddziaływania – a to tylko jedna z możliwości – to przyszłe eksperymenty powinny je wykryć.
Komentarze (7)
Jarek Duda, 10 kwietnia 2022, 19:38
Ciekawy artykuł twierdzący że istotne rozbieżności eksperymentalne są już w słynnym g-factor który ponoć QED przewiduje tak idealnie: https://arxiv.org/pdf/2110.02078
Chętnie bym usłyszał odpowiedzi na jego zarzuty ...
peceed, 11 kwietnia 2022, 20:17
Przyszło mi do głowy takie intuicyjne uzasadnienie usuwania nieskończonych wkładów w fizyce cząsteczek - otóż wkład nieskończony nie jest w stanie się "zmaterializować" w żadnym skończonym czasie, w pewnym sensie robi się nie fizyczny. Nieskończoność to tylko inne spojrzenie na 0.
Jarek Duda, 12 kwietnia 2022, 05:36
W sensie cytatów Feynmana i Diraca z https://arxiv.org/pdf/2110.02078?
Feynman:
Dirac:
Wiemy że cząstki mają skończone masy/energie, np. z dwóch fotonów 2x511keV może powstać elektron+pozyton ... jednak w QFT wychodzą nieskończone, te nieskończoności ręcznie odejmuje się w renormalizacji.
Odpowiadający problem to np. nieskończonej energii pola elektrycznego punktowego ładunku - jest rozbieżna w zerze: https://physics.stackexchange.com/questions/386760/the-problem-of-infinite-energy-of-electron-as-point-charge
Więc to pole wymaga regularyzacji: deformacje do co najwyżej 511keV (co dzieje się np. w modelach solitonowych) - odpowiadając na pytanie: jaka jest średnia gęstość energii w danej odległości od elektronu?
peceed, 12 kwietnia 2022, 11:14
Problem z pytaniem kolegi rozwala się o brak świadomości że elektron nie ma czegoś takiego jak unikalne położenie, dlatego odległość od elektronu też nie ma żadnego znaczenia... Fizyka nie dba o ludzką gramatykę i z faktu że kolega może zadać jakieś pytanie w języku naturalnym nie wynika że ma ono operacyjny sens. Fajnie używa się słowa "średnia" ale co ona ma oznaczać? Średnich w matematycje jest od cholery.
W fizyce trzeba i należy pytać wyłącznie o wyniki eksperymentów.
Wartości potencjałów w teorii klasycznej nie mają żadnego znaczenia - liczą się gradienty. Pytanie o te wartości po prostu nie ma sensu fizycznego - model ma wolny parametr. Wszędzie może sobie kolega w naiwnym przypadku pododawać jakieś C. Tylko że formalizm jest taki, że opis fizyczny przestaje odpowiadać na sensowne pytania gdy to C jest formalnie nieskończone.
Tymczasem w teoriach kwantowych sytuacja się odwraca: mamy formalizm z "wolnymi parametrami" który zaczyna dawać sensowne odpowiedzi gdy zaczynamy wsadzać do niego nieskończoności, czyli interesuje nas przejście formalne w granicy do nieskończoności. To chyba dobrze?
W sumie chyba wiem z czym ma kolega problem - jako pełnokrwisty matematyk uważa że każde wyrażenie matematyczne, człon musi reprezentować jakiś byt "fizyczny" i że ta "rzeczywistość" musi bezpośrednio realizować algebrę w relacji 1:1. Takie myślenie wyjaśnia wszystkie manowce w które kolega wpada, to taki fizyczny realizm na sterydach.
Dla kolegi usuniecie nieskończoności jest równoważne z "boską ingerencją" w precyzyjny obraz świata!
Tymczasem jest inaczej. Formalizmy wyjątkowo dają pewne poprawne odpowiedzi, a proces ten zawsze będzie "magiczny", rozstrzygany ostatecznie przez zgodność z doświadczeniem. Układy fizyczne notorycznie uciekają formalizmom a i tak uzyskiwane zgodności mają charakter wyłącznie statystyczny.
To właśnie mechanika kwantowa jest tym momentem w którym dowiadujemy się że "realizm" nie działa.
Bycie informatykiem też przeszkadza, bo informatyka jest budowania na wszystkich poziomach abstrakcji w sposób realistyczny.
Przyroda nie pyta się czy może i nie obchodzi jej że boli głowa
thikim, 18 stycznia 2023, 21:12
Niezgodności mniejszych i większych jest już kilka.
Nawet atomu najpewniej nim nie będziemy w stanie poruszyć.
Ale po pierwsze - w niektórych przypadkach nie jesteśmy 100 % pewni że obliczenia są w pełni dobre. Bo te naprawdę trudne obliczenia robi się nie analitycznie ale przybliżeniami. I mogą tam się kryć błędy.
Po drugie - niezgodności w niektórych przypadkach wychodzą na jaw dopiero przy bardzo precyzyjnych pomiarach - gdzie n-ta cyfra znacząca np. 5 czy 10-ta - wykazuje jakieś różnice. A to oznacza że zjawisko powodujące niezgodność jest bardzo słabe.
Po trzecie - Model Standardowy jest modelem otwartym. W każdej chwili można tam dodać nie tylko jedną ale i setki poprawek (to zaszkodzi może prostocie ale umożliwi poprawienie zgodności Modelu z pomiarami).
Niemniej - mimo otwartości MS na poprawki - każda z tych poprawek coś musi oznaczać.
Obecnie w mojej opinii najbardziej przekonywującym źródłem poprawek może być nieznane, słabe oddziaływanie które jest gdzieś pomiędzy grawitacją a oddziaływaniem słabym. A czemu go nie obserwujemy jak grawitację? Bo może mieć krótki zasięg lub znosić się podobnie jak oddziaływania EM od naładowanych przeciwnie cząstek.
Tylko że to w żaden sposób nie sprawia że MS to pomyłka. Jedynie wymaga dodania poprawki na kolejne oddziaływanie.
I takich oddziaływań - może być dużo więcej - pytanie jedynie jakie mają one znaczenie dla tego co się dzieje w świecie subatomowym. Najpewniej mają one znikome znaczenie. Podobnie jak grawitacja ma znikome znaczenie dla zjawisk zachodzących w atomie.
To zaś prowadzi do kolejnych wniosków: 5te i 50te oddziaływanie nie sprawi że zbudujemy napęd warp
thikim, 19 stycznia 2023, 09:56
To nie do mnie ale odpowiem na to.
Zgodzę się z pierwszą częścią - elektron nie ma unikalnego położenia ale jednak statystycznie ma jakieś położenie - co jest przybliżeniem oczywiście ale dla większych odległości od elektronu daje nam bardzo dobre wyniki. Więc to nie jest tak że odległość od elektronu - nie ma żadnego znaczenia. Ma.
Dalej rozbierając to statystyczne położenie. W wyniku pomiaru otrzymamy generalnie jakieś konkretne położenie. Ale to pomiar - pomiar to tylko składowa eksperymentu. Dla mnie pomiar to splątanie dwóch lub więcej funkcji falowych i obserwacja dopiero wyniku tego splątania.
To trochę tak jak w ciemnym położeniu próbować jedną rurką wymacać drugą rurkę, próbując je opisać jako punkt i móc odbierać jedynie lokalizację miejsca styku (z pewną dokładnością). Nie wiemy którymi końcami rurki się zetkną. Raz jednym, raz innym - a za każdym razem dostaniemy inne położenie. Tylko dodać trzeba utrudnienie małe że obie rurki się poruszają.
Więc nasza percepcja punktu - wykaże że raz ten punkt jest tam, raz gdzie indziej - nawet gdyby rurka którą chcemy namierzyć - nie ruszała się. Zawsze to będzie dla nas punkt - ze względu na charakter pomiaru. Mimo że to rurki są.
Tak samo elektrony są dla nas punktem z różną lokalizacją, mimo iż należy je traktować jako zaburzenia pola - a więc coś obszarowego - ale nie jednolitego, bardziej taka chmura o różnej gęstości. Tylko my nie mamy możliwości pomiaru gęstości i raczej fundamentalnie nigdy mieć nie będziemy - mamy cały czas tylko możliwość stwierdzenia - jest w tym miejscu albo w innym.
l_smolinski, 24 stycznia 2023, 18:32
Oczywiście, że odległość ma znaczenie. Przecież inaczej powłoki elektronowe nie miały by najmniejszego sensu. Kształt powłok elektronowych to nic innego jak odległość elektronu od jądra.