การวัดมวลอนุภาคย่อยใหม่ทำให้เกิดความตื่นเต้น — และคำถาม มีบางอย่างผิดปกติกับมวล การวัดมวลใหม่ของอนุภาคมูลฐาน W boson ได้ท้าทายความคาดหวัง ผลที่ได้บ่งบอกถึงข้อบกพร่องที่เป็นไปได้ในทฤษฎีที่แข็งแกร่งของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับชิ้นส่วนพื้นฐานของโลกของเรา หรือที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน
ทฤษฎีนั้นทำนาย W boson ที่มีมวลประมาณ 80,357 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์หรือ MeV แต่มวลที่วัดได้ใหม่นั้นใหญ่กว่าที่ 80,433.5 MeV นักฟิสิกส์ที่มี Collider Detector ที่ Fermilab หรือ CDF รายงานการทำงานร่วมกันในScience 8 เมษายน
การค้นพบนี้อาจบ่งบอกถึงอนุภาคใหม่หรือความลึกลับอื่น ๆ ของฟิสิกส์ที่ยังไม่ถูกค้นพบ
“หากได้รับการยืนยัน นี่จะหมายถึงฟิสิกส์ใหม่ที่น่าสนใจมากที่เราสามารถสำรวจได้” นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Sven Heinemeyer จากสถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีในกรุงมาดริดกล่าว
ถึงกระนั้น การวัดที่แม่นยำน้อยกว่าหลายครั้งก่อนหน้านี้พบว่ามวล W boson มีความสอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งรวมถึงแบบจำลองจากการทดลอง ATLAS ที่ Large Hadron Collider ที่ CERN ใกล้เจนีวา นักฟิสิกส์กำลังรอการยืนยันเพิ่มเติมก่อนที่จะประกาศว่าทฤษฎีล้ำค่าของพวกเขาไม่ถูกต้อง
“ผลลัพธ์ใหม่ของ CDF นั้นแทบจะเข้ากันไม่ได้กับผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ ซึ่งรวมถึงผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ด้วย ซึ่งทำให้เกิดคำถาม” Maarten Boonekamp นักฟิสิกส์ของ ATLAS จากสถาบันวิจัยกฎหมายพื้นฐานของจักรวาลที่ Université Paris-Saclay กล่าว
ค้นพบในปี 1983 W bosonมีบทบาทสำคัญในรุ่นมาตรฐาน ( SN: 2/5/83 ) อนุภาคมี 2 แบบ คือ มีประจุไฟฟ้าบวกหรือลบ ร่วมกับอนุภาค Z boson ที่ไม่มีประจุ อนุภาคจะมีแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ ซึ่งมีหน้าที่ในการสลายกัมมันตภาพรังสีบางประเภท และมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ให้พลังงานกับดวงอาทิตย์
การใช้ข้อมูลที่ CDF รวบรวมตั้งแต่ปี 2545 ถึง พ.ศ. 2554 ทีมงานได้ค้นหา W bosons ที่เกิดขึ้นจากการชนกันของโปรตอนและปฏิสสารคู่ขนานของพวกมัน นั่นคือ antiprotons ในเครื่องชนอนุภาค Tevatron ที่ปิดตอนนี้ ที่ Fermilab ในเมือง Batavia รัฐอิลลินอยส์ ( SN: 9/9/ 11 ). การวิเคราะห์ได้รับการออกแบบเพื่อให้นักวิจัยไม่สามารถบอกได้ว่าผลลัพธ์สุดท้ายเป็นอย่างไรจนกว่าจะเสร็จสิ้น
นักฟิสิกส์อนุภาคทดลอง Ashutosh Kotwal จากมหาวิทยาลัย Duke กล่าว “เมื่อคำตอบปรากฏขึ้น … เราตกใจกับสิ่งที่เราเพิ่งเรียนรู้ไป”
ด้วยความแม่นยำ 0.01 เปอร์เซ็นต์ การวัดมวลของ W boson ใหม่นั้นแม่นยำกว่าสถิติก่อนหน้านี้ถึงสองเท่า “นี่เป็นการวัดที่พิเศษมาก นี่เป็นมรดกที่แท้จริง” นักฟิสิกส์อนุภาคทดลอง Rafael Coelho Lopes de Sá จาก University of Massachusetts Amherst ผู้ซึ่งทำงานเกี่ยวกับการวัดมวล W boson สำหรับการทดลอง Tevatron อีกครั้งกล่าว “ระดับความทุ่มเท ความเอาใจใส่ และรายละเอียด … น่าทึ่งมาก”
การวัดใหม่ไม่สอดคล้องกับความคาดหวังของโมเดลมาตรฐานที่ 7 ซิกมา ซึ่งเป็นการวัดนัยสำคัญทางสถิติของผลลัพธ์ ซึ่งสูงกว่า 5 ซิกมาที่นักฟิสิกส์มักต้องการอ้างสิทธิ์ในการค้นพบ
นักฟิสิกส์ของ ATLAS Guillaume Unal จาก CERN กล่าวว่า “ก่อนที่จะตื่นเต้นเกินไป” ฉันต้องการดูการวัดอิสระที่ยืนยันการวัด CDF นอกเหนือจากการวัด ATLASที่อธิบายไว้ในปี 2018 ในEuropean Physical Journal Cแล้ว การวัดมวลของ W boson อีกครั้งจากการทดลอง CERN LHCb ก็สอดคล้องกับการทำนายแบบจำลองมาตรฐาน ด้วย เช่นกัน นักวิจัยรายงานใน January Journal of High Energy Physics
นักฟิสิกส์ LHCb Mika Vesterinen จากมหาวิทยาลัย Warwick ในเมืองโคเวนทรีประเทศอังกฤษกล่าวว่า “มวล W boson นั้นวัดได้ยาก” นั่นอธิบายได้ว่าทำไม CDF จึงใช้เวลานานมากในการสรุปการวิเคราะห์นี้ ซึ่งตีพิมพ์มากกว่า 10 ปีหลังจากสิ้นสุดการทดลอง
หวังว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่ต้องรอนานขนาดนั้นสำหรับการวัดอีกครั้ง การทำงานร่วมกันของ ATLAS และ LHCb กำลังดำเนินการปรับปรุงการวิเคราะห์มวลของ W boson แล้ว CMS ซึ่งเป็นการทดลองอื่นที่ CERN ยังสามารถปรับขนาดอนุภาคได้
หากการวัดใหม่ยังคงดำเนินต่อไป ก็ยังไม่ชัดเจนว่าความลับของฟิสิกส์อาจมีบทบาทอย่างไร อนุภาคใหม่ เช่น อนุภาคที่ทำนายโดยทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดซึ่งวางตำแหน่งว่าอนุภาคที่รู้จักแต่ละตัวมีคู่ที่หนักกว่า สามารถช่วยเลื่อนมวล W boson ขึ้น ( SN: 9/6/16 ) Heinemeyer ชี้ให้เห็นว่าอนุภาคชนิดเดียวกันนี้อาจช่วยอธิบายความลึกลับทางฟิสิกส์อีกเรื่องหนึ่งได้ เช่น การหมุนรอบแม่เหล็กของมิวออนที่รายงานโดยการทดลอง Muon g−2 ( SN: 4/7/21 )
นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี นาธาเนียล เครก จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตา บาร์บารา กล่าว “ในตอนท้ายของวัน พลังงานที่เพิ่มขึ้นและความสนใจที่อุทิศให้กับการวัดมวล W … จะเป็นสิ่งที่ดีอย่างมาก”
