CMS 실험의 새로운 결과로 W 보존의 질량에 관한 미스터리가 풀렸습니다.

2022년 CDF(Fermilab Collision Detector) 실험에서 예상치 못한 측정이 이루어진 후, LHC(Large Hadron Collider)의 CMS(Compact Muon Solenoid) 실험에서 물리학자들은 오늘 다음 중 하나인 W 보존의 질량에 대한 새로운 측정을 발표했습니다. 자연에서 힘을 운반하는 입자.

CMS 실험 중 최초로 이루어진 이 새로운 측정은 현재까지 W 보손 질량에 대한 가장 상세한 조사를 가능하게 하는 새로운 기술을 사용합니다. 거의 10년간의 분석 끝에, 그는 CMS를 찾았습니다 W 보존의 질량은 예상과 일치하여 마침내 수년 동안 지속되어 온 미스터리에 종지부를 찍었습니다.

최종 분석에는 2016년 LHC 실행에서 수집된 3억 개의 이벤트와 40억 개의 시뮬레이션 이벤트가 사용되었습니다. 이 데이터 세트에서 팀은 1억 개가 넘는 W 보존의 질량을 재구성하고 측정했습니다.

그들은 W 보존의 질량이 80,360.2 ± 9.9 MeV라는 것을 발견했는데, 이는 표준 모델 예측인 80,357 ± 6 MeV와 일치합니다. 그들은 또한 이론적 가정을 검증하기 위해 별도의 분석을 수행했습니다.

미국 에너지부 산하 페르미 국립연구소(Fermi National Research Laboratory)의 수석 과학자이자 전 CMS 대변인인 패티 맥브라이드(Patty McBride)는 “CMS의 새로운 결과는 정확성과 불확실성을 식별하는 방식 때문에 독특합니다.”라고 말했습니다.

“우리는 W 보손 질량 문제에 효과가 있었던 CDF 실험과 기타 실험을 통해 많은 것을 배웠습니다. 우리는 그들의 어깨 위에 서서 이 연구를 큰 진전으로 이룰 수 있었던 이유 중 하나입니다.”

1983년 W 보존이 발견된 이후 물리학자들은 10번의 서로 다른 실험을 통해 W 보존의 질량을 측정했습니다.

W 보존은 가장 기본적인 수준에서 자연을 설명하는 이론적 틀인 표준 모델의 초석 중 하나입니다. W 보손의 질량을 정확하게 이해하면 과학자들은 힉스 장의 강도와 방사성 붕괴를 담당하는 전자기학과 약력의 결합을 포함하여 입자와 힘 사이의 상호 작용을 매핑할 수 있습니다.

CMS 실험의 대변인이자 Fermilab의 수석 과학자인 Annadi Canepa는 “우주 전체는 섬세한 균형을 유지하는 작용입니다. W의 질량이 우리가 예상한 것과 다르다면 새로운 입자나 힘이 작용할 수 있습니다”라고 말했습니다.

새로운 CMS의 측정 정확도는 0.01%입니다. 이 정확도 수준은 4인치 연필을 3.9996~4.0004인치까지 측정하는 것과 같습니다. 그러나 연필과 달리 W 보존은 물리적 크기가 없고 질량이 은 원자 1개보다 작은 기본 입자입니다.

“이 측정을 수행하는 것은 매우 어렵습니다. 값을 확인하려면 여러 실험에서 여러 측정이 필요합니다”라고 Canepa는 덧붙였습니다.

CMS 실험은 컴팩트한 디자인, 뮤온이라고 불리는 기본 입자에 대한 특수 센서, 탐지기를 통해 이동할 때 하전 입자의 경로를 구부리는 매우 강력한 나선형 자석으로 인해 이 측정을 수행한 다른 실험과는 다릅니다.

McBride는 “CMS의 설계로 인해 질량을 정확하게 측정하는 데 특히 적합합니다. 이는 차세대 실험입니다.”라고 말했습니다.

대부분의 기본 입자는 믿을 수 없을 정도로 수명이 짧기 때문에 과학자들은 입자가 붕괴되는 모든 것의 질량과 운동량을 합산하여 질량을 측정합니다. 이 방법은 두 개의 뮤온으로 붕괴되는 W 보존의 친척인 Z 보존과 같은 입자에 대해 잘 작동합니다. 그러나 W 보존은 붕괴 생성물 중 하나가 중성미자라고 불리는 작은 기본 입자이기 때문에 큰 문제를 제기합니다.

분석에 참여한 MIT 과학자 Josh Bendavid는 “중성미자를 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 충돌 실험에서는 중성미자가 감지되지 않기 때문에 우리는 그림의 절반만 작업할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

그림의 절반만 가지고 작업한다는 것은 물리학자가 창의력을 발휘해야 한다는 것을 의미합니다. 실제 실험 데이터에 대한 분석을 수행하기 전에 과학자들은 먼저 수십억 개의 대형 강입자 충돌기 충돌을 시뮬레이션했습니다.

Bendavid는 “어떤 경우에는 검출기의 작은 왜곡을 모델링해야 했습니다.”라고 말했습니다. “정밀도는 사람의 머리카락 너비만큼 작더라도 작은 뒤틀림과 구부러짐에도 신경을 쓸 만큼 높습니다.”

물리학자들은 또한 양성자들이 충돌할 때 내부에서 어떤 일이 일어나는지, W 보존이 어떻게 생성되는지, W 보존이 붕괴되기 전에 어떻게 움직이는지 등 많은 이론적 입력이 필요합니다.

McBride는 “이론적 입력의 영향을 아는 것은 진정한 예술입니다.”라고 말했습니다.

과거에 물리학자들은 이론적 모델을 보정할 때 W 보존 대신 Z 보존을 사용해 왔습니다. 이 방법에는 많은 장점이 있지만 프로세스에 불확실성이 추가됩니다.

UCLA 연구원이자 분석가 중 한 명인 Elisabetta Manca는 “Z 보존과 W 보존은 자매이지만 쌍둥이는 아닙니다”라고 말했습니다. “물리학자들은 Z 보존을 W 보존으로 추정할 때 몇 가지 가정을 해야 하며 이러한 가정은 다음과 같습니다. 아직 논의 중”

이러한 모호성을 줄이기 위해 CMS 연구자들은 실제 W 보존 데이터만 사용하여 이론적 입력을 제한하는 새로운 분석 기술을 개발했습니다.

“우리는 더 큰 데이터 세트, W 보존에 대한 이전 연구에서 얻은 경험, 최신 이론 개발의 조합 덕분에 이것을 효과적으로 수행할 수 있었습니다. 이를 통해 우리는 참조로 사용되는 Z 보존에서 벗어날 수 있었습니다. 포인트입니다.” Bendavid가 말했습니다.

이 분석의 일환으로 그들은 또한 10배 더 정확해질 때까지 CMS 검출기의 거대한 부분을 재보정하기 위해 알려진 1억 개의 입자 붕괴 경로를 조사했습니다.

Manka는 “이 새로운 수준의 정밀도를 통해 W, Z 및 Higgs 보손과 관련된 중요한 측정을 더 높은 정밀도로 처리할 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다.

분석에서 가장 어려운 부분은 새로운 분석 기술을 만들고 CMS 검출기에 대한 믿을 수 없을 만큼 깊은 이해를 개발해야 했기 때문에 시간이 많이 걸리는 부분이었습니다.

Manka는 “저는 여름방학 때 이 연구를 시작했고, 이제 박사후 연구원 3년차가 되었습니다.”라고 말했습니다. “이것은 단거리 경주가 아니라 마라톤입니다.”