Солнце, атомная электростанция и датирование углерода - все они черпают свои способности из взаимодействия между частицами в сердцах атомов. Отчасти это работа субатомной частицы под названием W-бозон. W-бозон - это невидимый носитель слабой ядерной силы, фундаментальной силы Вселенной, ответственной за радиоактивный распад.
Он также является предметом новейшей загадки в физике частиц. Последнее, самое точное и наиболее информированное измерение массы W-бозона, опубликованное в журнале Science 7 апреля, показало, что эта частица тяжелее, чем предполагалось.
Это отклонение, которое нелегко объяснить. Если измерение подтвердится - а это очень большое "если" - оно может стать сильнейшим доказательством того, что давнее понимание физикой частиц Вселенной в мельчайших масштабах, известное как Стандартная модель, еще не завершено.
"Не скрывает ли природа еще одну частицу, которая могла бы повлиять на эту конкретную величину?" - говорит Ашутош Котвал, физик частиц из Университета Дьюка и член коллаборации, опубликовавшей эту работу.
W-бозон не является недавно открытой частицей: Ученые ЦЕРНа обнаружили его в начале 1980-х годов, а теоретики предсказали его существование более десяти лет назад. Выяснение его массы было целью с самого начала.
"Существует долгая, долгая история проведения таких измерений и повышения точности, потому что всегда признавалось, что это очень важное измерение, - говорит Клаудио Кампаньяри, физик частиц из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который не был одним из авторов статьи.
На самом деле, последняя статья в журнале Science - это плод экспериментов более чем десятилетней давности. Многочисленные соавторы статьи работали с данными Теватрона - ускорителя частиц, расположенного в Фермилабе в пригороде Чикаго, чье последнее столкновение произошло в 2011 году.
Когда частицы кружились вокруг колец Фермилаба и сталкивались друг с другом, они разлетались в сверкающее высокоэнергетическое конфетти частиц - в том числе и бозонов. С увеличением числа столкновений ученые получали все больше данных, которые они могли использовать для определения массы W-бозона.
"Наша задача, которую мы для себя определили, заключалась в следующем: Измерить факты. И вот наша лучшая попытка установить этот факт", - говорит Котвал.
Эти частицы вращались вокруг ускорителя со скоростью, близкой к скорости света, сталкиваясь друг с другом почти мгновенно. Анализ их столкновений, с другой стороны, занимает годы. Группа Фермилаба уже делала это раньше, в 2006 и 2012 годах, и на анализ предыдущих наборов данных ушло четыре и пять лет соответственно.
Это связано с тем, что измерение массы W-бозона - тонкий и очень чувствительный процесс, который должен учитывать всевозможные мелкие отвлекающие факторы, от сдвигов магнитного поля внутри ускорителя до углов наклона детекторов, на которых происходят столкновения.
"Небольшие ошибки могут иметь большой эффект, поэтому все должно быть сделано очень тщательно, и, насколько я могу судить, авторы проделали чрезвычайно тщательную работу, и именно поэтому они работали над ней столько лет", - сказал Мартин Малдерс, физик частиц из ЦЕРН в Швейцарии, который не был одним из авторов статьи.
Авторам исследования потребовалось более десяти лет. В конце его они обнаружили, что W-бозон оказался более массивным, чем все предыдущие измерения, и слишком массивным, чтобы соответствовать теоретическим предсказаниям. Это почти наверняка слишком большая разница, чтобы списать ее на простую статистическую случайность.
"Я не думаю, что люди действительно ожидали, что новый результат окажется настолько далеким от прогноза", - говорит Кампаньяри.
W-бозон - это кирпич в стене Стандартной модели, сердца современной физики частиц. Стандартная модель состоит из дюжины субатомных частиц, основных строительных блоков Вселенной, крепко сплетенных нитями теории. Стандартная модель стала для физиков руководством к открытию новых частиц: В частности, она привела исследователей к бозону Хиггса, давно искомой частице, которая помогает наделять своих сверстников массой. Раз за разом предсказания Стандартной модели оправдывались.
Но Стандартная модель не является компендиумом, и ее картина оставляет многое во Вселенной без ответа. Она не объясняет, как и почему работает гравитация, не объясняет темную материю и не объясняет, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии.
"Мы ни в коем случае не считаем Стандартную модель по своей сути полной, - говорит Котвал.
И если результат подтвердится, "я думаю, мы сможем честно сказать, что это, вероятно, самая большая проблема, с которой сталкивалась Стандартная модель на протяжении многих лет", - говорит Малдерс.
В ближайшие дни и месяцы физики частиц будут разбирать каждый аспект статьи в поисках объяснения. Возможно, что команда Фермилаба допустила необнаруженную ошибку; возможно также, что небольшое изменение в теоретической базе может объяснить расхождение.
Даже если выводы Фермилаба в порядке, задача еще не решена. Физики должны будут независимо перепроверить результат, проверив его в совершенно другом эксперименте. Например, они хотели бы знать, почему ни в одном из предыдущих измерений W-бозоны не были столь массивными, как в этом. "В этом случае надежда будет на эксперименты ЦЕРН", - говорит Малдерс.
На самом деле, Большой адронный коллайдер (БАК) ЦЕРНа уже наблюдал больше W-бозонов, чем когда-либо наблюдал Теватрон. Теперь у ученых, работающих с его данными, появилась новая мотивация для расчета массы на основе этих наблюдений. Они могут найти помощь от новых столкновений, когда БАК начнет работать в полную силу в конце этого года - или в будущем, когда он будет модернизирован в 2027 году.
Но предположим, что БАК действительно даст доказательство. Тогда непослушный W-бозон может оказаться отпечатком чего-то невидимого, скрывающегося в квантовых тенях. Возможно, это признак другой частицы, например, предсказанной давно исчезнувшей теорией суперсимметрии, или неизвестной до сих пор силы.
"Это действительно лежит в основе того, что мы считаем Стандартной моделью, и это было бы нарушено... вы должны начать подвергать сомнению все", - говорит Малдерс.