Согласно сообщению на официальном сайте Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) от 25 числа, в последнем исследовании группа коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) использовала Z-бозон, электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия, для определения силы сильного взаимодействия с рекордной точностью (неопределенность менее 1%). Соответствующие статьи были представлены в журнал Nature Physics.
Стандартная модель физики элементарных частиц утверждает, что в природе существуют четыре фундаментальных взаимодействия: сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие и гравитация, из которых сильнейшим является сильное взаимодействие, связывающее кварки в протоны, нейтроны и атомные ядра. Сильное взаимодействие переносится глюонами, и его сила называется константой сильной связи. Хотя понимание учеными константы сильной связи улучшилось за многие годы измерений и теоретических разработок, неопределенность в ее значении все еще на несколько порядков выше, чем у ее других «собратов».
Стефано Камарда, физик ЦЕРН и член аналитической группы, отметил, что сила сильного взаимодействия является ключевым параметром стандартной модели, но ее точность в настоящее время составляет всего несколько процентов, в то время как электромагнитное взаимодействие, которое в 15 раз слабее сильного взаимодействия, имеет точность в одну миллиардную долю.
Чтобы повысить точность измерения силы сильного взаимодействия, группа коллаборации ATLAS изучила Z-бозон, образующийся в результате протон-протонного столкновения на БАКе с энергией столкновения 8 тераэлектронвольт (ТэВ). Z-бозон обычно образуется при аннигиляции двух кварков в сталкивающихся протонах. В этом процессе сильное взаимодействие действует через глюоны, излучаемые аннигилирующим кварком. Это излучение придает Z-бозону поперечный импульс, величина которого зависит от константы сильной связи. Точно измерив распределение поперечного импульса Z-бозона и сравнив его с теоретическими значениями, можно определить константу сильной связи.
В ходе последнего анализа исследовательская группа точно определила, что константа сильной связи на шкале масс Z-бозона равна 0,1183±0,0009. Относительная неопределенность этого результата составляет всего 0,8%, что на сегодняшний день является наиболее точным измерением сильной прочности в одном эксперименте.
Исследовательская группа отметила, что более точные измерения констант сильной связи имеют большое значение: во-первых, они могут повысить точность теоретических расчетов процессов частиц, связанных с сильным взаимодействием; во-вторых, это может помочь разгадать некоторые важные неразгаданные загадки. Например, при чрезвычайно высоких энергиях можно определить, имеют ли все фундаментальные силы одинаковую силу, и сделать вывод, имеют ли они потенциальный общий источник и существуют ли неизвестные взаимодействия, которые могут изменить сильное взаимодействие в определенных процессах или при определенных энергиях и т. д.