מדידת שיתוף הפעולה CMS של זווית הערבוב האלקטרוחלש הציגה דיוק חסר תקדים, אישרה את המודל הסטנדרטי והנחתה את הבמה לפיזיקה עתידית של מתנגשים. קרדיט: CERN
עם מדידה זו, מאיץ ההדרונים הגדול הוכיח שוב את יכולתו לספק מדידות דיוק גבוהות מאוד ולהביא תובנות חדשות לתוך תעלומה ישנה.
שיתוף הפעולה ב-CMS חשף מדידה פורצת דרך של זווית הערבוב האלקטרו-חלש, המאשרת את תחזיות המודל הסטנדרטי ומתייחסת לאי-התאמות קודמות עם המדידה המדויקת ביותר המבוססת על מתנגשים עד כה. הישג זה מדגיש את הפוטנציאל לפיזיקה מדויקת אצל מתנגשי האדרונים ומתכונן ללימודים מתקדמים יותר ב-High-Luminosity LHC.
מדידת ערבוב Electroweak
בשנתי Rencontres de Moriond בכנס, שיתוף הפעולה של CMS הציג מדידה של זווית הערבוב האלקטרו-חלש האפקטיבי הלפטוני. התוצאה היא המדידה המדויקת ביותר שבוצעה בהתנגש הדרון עד כה והיא תואמת היטב את התחזית מהמודל הסטנדרטי.
סקירה כללית של המודל הסטנדרטי
המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הוא התיאור המדויק ביותר עד כה של חלקיקים ואינטראקציות ביניהם. מדידות מדויקות של הפרמטרים שלו, בשילוב עם חישובים תיאורטיים מדויקים, מניבות כוח חיזוי מרהיב המאפשר לקבוע תופעות עוד לפני שהן נצפו ישירות. בדרך זו, המודל הגביל בהצלחה את המוני הבוזונים W ו-Z (התגלו ב- CERN ב-1983), של הקווארק העליון (התגלה ב-Fermilab ב-1995) ולאחרונה, של בוזון היגס (התגלה ב-CERN ב-2012).
לאחר שהתגלו חלקיקים אלה, התחזיות הללו הפכו לבדיקות עקביות עבור המודל, המאפשרות לפיזיקאים לחקור את גבולות התוקף של התיאוריה. יחד עם זאת, מדידות מדויקות של תכונות החלקיקים הללו הן כלי רב עוצמה לחיפוש תופעות חדשות מעבר למודל הסטנדרטי – מה שנקרא "פיזיקה חדשה" – שכן תופעות חדשות יתבטאו בפערים בין כמויות שונות שנמדדו ומחושבות.
המשמעות של זווית ערבוב Electroweak
זווית הערבוב האלקטרוחלש היא מרכיב מרכזי בבדיקות העקביות הללו. זהו פרמטר בסיסי של המודל הסטנדרטי, הקובע כיצד האינטראקציה האלקטרו-חלשה המאוחדת הולידה את האינטראקציות האלקטרומגנטיות והחלשות באמצעות תהליך המכונה שבירת סימטריה אלקטרו-חלשה. יחד עם זאת, הוא קושר באופן מתמטי את המסות של הבוזונים W ו-Z המשדרים את האינטראקציה החלשה. אז, מדידות של W, Z או זווית הערבוב מספקות בדיקה ניסיוני טובה של המודל.
פתרון אי התאמות במידות
שתי המדידות המדויקות ביותר של זווית הערבוב החלשה בוצעו על ידי ניסויים במאיץ CERN LEP ועל ידי ניסוי SLD במרכז המאיץ הליניארי של סטנפורד (SLAC). הערכים לא מסכימים זה עם זה, מה שהדהים את הפיזיקאים במשך יותר מעשור.
התוצאה החדשה עולה בקנה אחד עם חיזוי המודל הסטנדרטי ומהווה צעד לקראת פתרון הפער בין האחרון לבין מדידות ה-LEP וה-SLD.
התקדמות בפיזיקה של קולידר
"התוצאה הזו מראה שניתן לבצע פיזיקה מדויקת במתנגשי האדרונים", אומרת פטרישיה מקברייד, דוברת CMS. "הניתוח היה צריך להתמודד עם הסביבה המאתגרת של LHC Run 2, עם ממוצע של 35 התנגשויות פרוטון-פרוטון בו זמנית. זה סולל את הדרך לפיזיקה מדויקת יותר ב-High-Luminosity LHC, שבו פי חמישה יותר זוגות פרוטונים יתנגשו בו זמנית."
אתגרים ודיוק בהתנגשויות פרוטונים
בדיקות דיוק של פרמטרי המודל הסטנדרטי הן המורשת של מתנגדי אלקטרונים-פוזיטרון, כמו ה-LEP של CERN, שפעל עד שנת 2000 במנהרה המאכלסת כיום את ה-LHC. התנגשויות אלקטרונים-פוזיטרון מספקות סביבה נקייה מושלמת למדידות ברמת דיוק כה גבוהה. התנגשויות פרוטון-פרוטון ב-LHC מאתגרות יותר עבור סוג זה של מחקרים, למרות שניסויי ATLAS, CMS ו-LHCb כבר סיפקו שפע של מדידות חדשות במיוחד.
האתגר נובע בעיקר מרקע עצום מתהליכי פיזיקה אחרים מזה הנלמד ומהעובדה שהפרוטונים, בניגוד לאלקטרונים, אינם חלקיקים יסודיים. עבור תוצאה חדשה זו, הגעה לדיוק דומה לזה של מתנגש אלקטרונים-פוזיטרון נראתה כמשימה בלתי אפשרית, אך כעת היא הושגה.
פרטים על מדידת CMS
המדידה שהוצגה על ידי CMS משתמשת במדגם של התנגשויות פרוטון-פרוטון שנאספו מ-2016 עד 2018 באנרגיה של מרכז מסה של 13 TeV ומתאים לעוצמת הארה משולבת כוללת של 137 fb−1כלומר כ-11,000 מיליון מיליון התנגשויות!
זווית הערבוב מתקבלת באמצעות ניתוח של התפלגויות זוויתיות בהתנגשויות שבהן נוצרים זוגות אלקטרונים או מיואונים. זוהי המדידה המדויקת ביותר שבוצעה במתנגש האדרון עד כה, ומשתפרת על מדידות קודמות מ-ATLAS, CMS ו-LHCb.
