CMS 실험의 새로운 결과로 W 보손 질량 미스터리가 풀렸습니다.

페르미랩 충돌 검출기(CDF) 실험에서 2022년에 예상치 못한 측정이 이루어진 후, 대형 강입자 충돌기(LHC)의 컴팩트 뮤온 솔레노이드 실험(CMS)의 물리학자들은 오늘 자연의 힘을 전달하는 입자 중 하나인 W 보손의 새로운 질량 측정을 발표했습니다. CMS 실험에서 처음으로 시도된 이 새로운 측정은 지금까지 W 보손의 질량을 조사한 가장 정교한 새로운 기술을 사용합니다. CMS는 거의 10년에 걸친 분석 끝에 W 보손의 질량이 예측과 일치한다는 것을 발견하여 마침내 수년간의 미스터리를 종식시켰습니다.

최종 분석에서는 2016년 LHC에서 수집한 3억 개의 이벤트와 40억 개의 시뮬레이션 이벤트를 사용했습니다. 이 데이터세트에서 팀은 1억 개가 넘는 W 보손의 질량을 재구성한 다음 측정했습니다. 그들은 W 보손의 질량이 80,360.2 ± 9.9 메가전자볼트(MeV)라는 것을 발견했는데, 이는 표준 모형의 예측인 80,357 ± 6 MeV와 일치합니다. 그들은 또한 이론적 가정을 교차 확인하는 별도의 분석을 실행했습니다.

"새로운 CMS 결과는 그 정밀도와 불확실성을 결정하는 방식 때문에 독특합니다." 미국 에너지부 페르미 국립 연구소의 저명한 과학자이자 전 CMS 대변인인 패티 맥브라이드가 말했습니다. "우리는 W 보손 질량 문제를 연구한 CDF와 다른 실험에서 많은 것을 배웠습니다. 우리는 그들의 어깨 위에 서 있고, 이것이 우리가 이 연구를 큰 진전으로 이끌 수 있는 이유 중 하나입니다."

1983년 W 보손이 발견된 이후, 물리학자들은 10가지의 다른 실험을 통해 그 질량을 측정했습니다.

W 보손은 자연을 가장 기본적인 수준에서 설명하는 이론적 틀인 표준 모형의 초석 중 하나입니다. W 보손의 질량을 정확하게 이해하면 과학자들은 히그스 장의 강도와 전자기력과 약력의 합병을 포함하여 입자와 힘의 상호 작용을 매핑할 수 있으며, 이는 방사성 붕괴를 담당합니다.

CMS 실험의 부대변인이자 페르미랩의 선임 과학자인 아나디 카네파는 "전체 우주는 섬세한 균형의 행위입니다."라고 말했습니다. "W 질량이 우리가 예상한 것과 다르다면 새로운 입자나 힘이 작용할 수 있습니다."

새로운 CMS 측정의 정밀도는 0.01%입니다. 이 수준의 정밀도는 4인치 길이의 연필을 3.9996~4.0004인치 사이로 측정하는 것과 같습니다. 하지만 연필과 달리 W 보손은 물리적 부피가 없고 단일 은 원자보다 작은 질량을 가진 기본 입자입니다.

"이 측정은 매우 어렵습니다." 카네파가 덧붙여 말했습니다. "값을 교차 확인하려면 여러 실험에서 여러 번 측정해야 합니다."

CMS 실험은 컴팩트한 설계, 뮤온이라 불리는 기본 입자를 위한 특수 센서, 그리고 검출기를 통과할 때 대전된 입자의 궤적을 구부리는 매우 강력한 솔레노이드 자석을 갖추고 있기 때문에 이러한 측정을 수행한 다른 실험과는 다릅니다.

"우리는 더 큰 데이터 세트, 이전 W 보손 연구에서 얻은 경험, 최신 이론적 발전의 조합 덕분에 이를 효과적으로 수행할 수 있었습니다."라고 Bendavid는 말했습니다. "이를 통해 우리는 기준점으로서 Z 보손에서 벗어날 수 있었습니다."

이 분석의 일환으로 그들은 또한 잘 알려진 입자의 붕괴에서 나온 1억 개의 궤적을 조사하여 CMS 검출기의 대규모 부분을 재보정하여 차원을 한 자릿수 더 정밀하게 만들었습니다.

"이 새로운 수준의 정밀도 덕분에 W, Z, 히그스 보손과 관련된 중요한 측정을 더욱 정확하게 처리할 수 있게 될 것입니다."라고 Manca는 말했습니다.

분석에서 가장 어려운 부분은 시간이 많이 걸린다는 점인데, 새로운 분석 기법을 만들어야 하고 CMS 검출기에 대한 엄청나게 깊은 이해를 개발해야 하기 때문입니다.

"저는 여름 학생으로 이 연구를 시작했고, 지금은 포스트닥 3년차입니다." 맨카가 말했다. "이것은 단거리 달리기가 아니라 마라톤입니다."

Compact Muon Solenoid(CMS) 실험은 에너지부 과학국과 국가 과학 재단에서 부분적으로 자금을 지원합니다. 이것은 CERN (유럽 입자 물리학 연구소) 의 대형 강입자 충돌기(LHC) 에서 진행하는 두 개의 대규모 범용 실험 중 하나입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240917130327.htm