CMS実験の新しい結果として,Wボソン質量ミステリーが終了した。

2022年のフェルミラップ衝突検出器（CDF）実験で予期しない測定があった後、大型降入者衝突器（LHC）のコンパクトミューオンソレノイド実験（CMS）に参加する物理学者たちは、今日自然で力を伝達する粒子の一つであるWボソンの新しい質量測定結果を発表しました。

CMS実験で最初に試されたこの新しい測定は、Wボソンの質量に関するこれまでで最も洗練された調査を可能にする新しい技術を使用します。ほぼ10年にわたる分析の末、 CMSが見つかりました Wボソンの質量が予測と一致し、ついに長年の謎が解けました。

最終分析では、2016年にLHCで収集した3億のイベントと40億のシミュレーションイベントを使用しました。このデータセットでは、チームは1億個を超えるWボソンの質量を再構築して測定しました。

彼らは、Wボソンの質量が80,360.2±9.9メガ電子ボルト（MeV）であることを発見しました。これは標準モデルの予測である80,357±6MeVと一致します。彼らはまた、理論的仮定をクロスチェックする別々の分析を実行しました。

米国エネルギー省フェルミ国立研究所の著名な科学者であり、元CMSスポークスマンであるパティ・マクブライドは、「新しいCMS結果は、精度と不確実性を決定する方法のためにユニークだ」と述べた。

「私たちはWボソン質量問題を研究したCDFと他の実験から多くのことを学びました。

1983年にWボソンが発見された後、物理学者たちは10の異なる実験を通してその質量を測定しました。

Wボソンは、自然を最も基本的なレベルで説明する理論的枠組みである標準モデルの基礎の1つです。 Wボソンの質量を正確に理解することで、科学者たちはヒグス場の強さと電磁力と薬力の合併を含む粒子と力の相互作用をマッピングすることができ、それは放射性崩壊を担います。

CMS実験の副報道官であり、フェルミラップの上級科学者であるアナディ・カネパは、「全体の宇宙は繊細なバランスの行為です」と述べた。 「W質量が予想したものと異なる場合、新しい粒子や力が作用する可能性があります。」

新しいCMS測定の精度は0.01％です。このレベルの精度は、4インチの長さの鉛筆を3.9996〜4.0004インチの間で測定するのと同じです。しかし、鉛筆とは異なり、Wボソンは物理量がなく、単一の銀原子よりも小さい質量を持つ基本粒子です。

「この測定は非常に難しい」カネパが加えて言いました。 「値をクロスチェックするには、複数の実験で複数回測定する必要があります。」

CMS実験は、コンパクトな設計、ミューオンと呼ばれる基本粒子用の特殊センサー、および検出器を通過する際に荷電粒子の軌跡を曲げる非常に強力なソレノイド磁石を備えているため、これらの測定を行った他の実験とは異なります。

「CMSの設計は精密質量測定に特に適しています。」マクブライドは言った。 「次世代実験です」

ほとんどの基本粒子は寿命が非常に短いため、科学者は崩壊するすべての粒子の質量と運動量を加えて質量を測定します。この方法は、WボソンのいとこであるZボソンのような粒子に有効であり、2つのミューオンに崩壊する。しかし、Wボソンは、崩壊生成物の1つがニュートリノという小さな基本粒子であるため、大きな課題を引き起こします。

「ニュートリノは測定が非常に難しいと悪名高い」この分析を行ったマサチューセッツ工科大学の科学者ジョシュ・ベンダビッドは言った。 「衝突実験ではニュートリノは検出されないので、私たちは絵の半分だけで作業できます」

絵の半分だけで作業することは、物理学者が創造的でなければならないことを意味します。実際の実験データの分析を実行する前に、科学者は最初に数十億のLHC衝突をシミュレートしました。

「場合によっては、検出器で小さなバリエーションをモデル化する必要がありました。」 Bendavidは言った。 「精度が高く、小さなねじれや曲げも気にします。さらには人間の髪の毛の幅ほど小さくても。」

物理学者には、プロトンが衝突したときに内部で何が起こるのか、Wボソンがどのように生成されるのか、崩壊する前にどのように移動するのかなど、数多くの理論的入力が必要です。

マクブライドは、「理論的入力の影響を把握するのは本当の芸術です」と述べた。

過去に、物理学者たちは、理論的モデルの校正中に、Wボソンの代替としてZボソンを使用していました。この方法には多くの利点がありますが、プロセスに不確実性を追加します。

「ZとWボソンは兄弟だが双子ではない」カリフォルニア大学ロサンゼルスの研究者であり、アナリストの一人であるエリザベータ・マンカが語った。 「物理学者はZからWに外挿するときにいくつかの仮定をしなければならず、これらの仮定はまだ議論中です。」

この不確実性を減らすために、CMS研究者は理論的入力を制限するために実際のデータとボソンデータのみを使用する新しい分析技術を開発しました。

「私たちは、より大きなデータセット、以前のWボソン研究からの経験、そして最新の理論的発展の組み合わせのおかげで、これを効果的に実行することができました」とBendavidは言いました。 「これにより、私たちは基準点としてZボソンから抜け出すことができました。」

この分析の一環として、彼らはまた、よく知られている粒子の崩壊からの1億の軌跡を調べて、CMS検出器の大規模な部分を再補正し、次元を1桁より正確にしました。

「この新しいレベルの精度のおかげで、W、Z、High Bossonに関連する重要な測定をより正確に処理できるようになります」とMancaは言います。

分析の最も困難な部分は時間がかかることです。新しい分析技術を作成し、CMS検出器の非常に深い理解を開発する必要があるからです。

「私は夏の学生としてこの研究を始め、今はポストダック3年目です」マンカが言った。 「これは短距離走ではなくマラソンです」