Fisikawan telah mencapai pengukuran yang sangat sulit – massa partikel fundamental W boson. Hasilnya, dari eksperimen CMS di Large Hadron Collider (LHC), sejalan dengan prediksi model standar, dan memberikan air dingin pada anomali massa boson W yang muncul pada tahun 2022. Pengukuran tersebut mengisyaratkan adanya fenomena di luar model standar, gambaran terbaik anggota fisika tentang partikel dan gaya.
“Model standar tidak mati,” kata Josh Bendavid, fisikawan partikel di Massachusetts Institute of Technology di Cambridge dan anggota kolaborasi CMS, saat mempresentasikan hasilnya pada 17 September. Tepuk tangan meriah menyambut pengumuman tersebut, yang disampaikan dalam sebuah seminar di CERN, laboratorium fisika partikel Eropa dekat Jenewa, Swiss, yang menjadi tuan rumah LHC. Hasil CMS dibuat dalam waktu 10 tahun, dan menghasilkan massa 80.360,2 juta elektronvolt untuk boson W, yang terlibat dalam membawa gaya nuklir lemah. Jika temuannya mendekati hasil tahun 2022, kami akan menyatakan matinya model standar, kata Bendavid.
“Masyarakat akan senang dengan kenyataan bahwa kita dapat mencapai presisi ini dan memiliki pemahaman tentang model standar pada tingkat ini,” kata Florencia Canelli, fisikawan partikel eksperimental di Universitas Zurich di Swiss, yang mengerjakan eksperimen CMS. namun tidak terlibat dalam hasilnya.
Tentang mendukung jurnalisme sains
Jika Anda menikmati artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide yang membentuk dunia kita saat ini.
Kelegaan bagi fisikawan
Hasil tahun 2022, yang dihasilkan oleh eksperimen yang disebut CDF di Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois, menggunakan data berusia 10 tahun untuk menghitung bahwa boson W lebih berat dari yang diperkirakan, sehingga membuka kemungkinan celah dalam model standar yang diperkirakan para fisikawan. sangat bersemangat. Meskipun model ini sangat sukses, fisikawan tahu bahwa model tersebut tidak lengkap karena tidak memperhitungkan fenomena misterius seperti materi gelap.
Hasil CMS adalah pengukuran massa W paling akurat yang dihasilkan dari LHC, dan keakuratannya kira-kira sebanding dengan hasil CDF. Hal ini juga konsisten dengan empat pengukuran sebelum angka CDF, sehingga nilai tersebut dianggap outlier. “Keduanya tidak mungkin benar,” kata Ashutosh Kotwal, fisikawan partikel eksperimental di Duke University di Durham, North Carolina, yang memimpin studi CDF.
“Mungkin akan lebih baik bagi masyarakat jika kita menemukan sesuatu yang benar-benar berbeda dari model standar, karena itu akan menarik bagi masa depan bidang kita,” kata Elisabetta Manca, fisikawan partikel di University of California, Los Angeles, yang merupakan salah satu analis utama untuk temuan CMS. Namun dari segi keyakinan terhadap hasil, nilainya melegakan, ujarnya.
Kekuatan dasar
Boson W, bersama dengan partikel saudaranya, Z, terlibat dalam peluruhan radioaktif sebagai pembawa gaya nuklir lemah, salah satu dari empat gaya fundamental alam. Massanya adalah salah satu dari sedikit nilai dalam model standar yang dapat diprediksi dengan akurasi tinggi berdasarkan teori dan diukur melalui eksperimen. Ini menjadikannya cara yang baik untuk mencari celah pada model. “Tidak banyak yang bisa diamati dengan presisi tinggi. Itulah yang menjadikannya penting dan berharga,” kata Kotwal.
Namun massa W sangat sulit diukur. LHC menciptakan boson dengan menumbukkan proton pada energi ekstrim. Ini dengan cepat membusuk menjadi partikel lain yang terdeteksi oleh percobaan. Namun untuk massa W, separuh peluruhannya hilang, karena boson hanya berubah menjadi satu partikel yang dapat dideteksi – lepton, seperti elektron atau sepupunya yang lebih berat, muon. Partikel lain, neutrino, langsung keluar dari detektor tanpa meninggalkan jejak.
Peluruhan muon
Analisis CMS sebagian besar melihat peluruhan muon. Tim tersebut merekonstruksi sifat muon dari peluruhan sekitar 100 juta W dari LHC dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya, kata Manca. Mereka kemudian membandingkan data tersebut dengan 4 miliar simulasi tumbukan dan peluruhan yang menggunakan nilai W berbeda massa — dan nilai berbeda untuk ribuan parameter lain yang dapat membuat hasil menjadi bias — dan menemukan yang paling cocok. “Yang cocok itulah yang kami ekstrak,” kata Canelli.
Tim tersebut menggunakan perangkat lunak dan teori yang canggih, serta mengkalibrasi dan memeriksa ulang hasilnya dengan pengukuran alternatif peluruhan W dan Z untuk memastikan metode mereka bekerja sesuai harapan, kata Manca.
Bahwa hasil CMS secara umum sejalan dengan eksperimen LHC lainnya – ATLAS dan LHCb – yang menggunakan detektor dan metodologi berbeda, memberikan keyakinan kepada tim bahwa mereka telah mencapai angka yang tepat, kata Manca.
Penilaian anomali
Tidak ada yang tahu mengapa hasil CDF menonjol. Salah satu alasan yang mungkin adalah detektor menggunakan alat teoritis yang berbeda dari CMS untuk menghasilkan simulasinya. CDF mendeteksi tumbukan dari akselerator proton-antiproton yang disebut Tevatron, yang ditutup pada tahun 2011, sedangkan LHC hanya menumbuk proton. “Tidak ada satu hal pun yang bisa kami katakan, ‘itulah sebabnya hasilnya sangat berbeda’,” kata Manca.
Kotwal mengatakan dia harus melihat makalah CMS, yang akan diterbitkan dalam beberapa bulan ke depan, untuk melihat metodologi tim. “Orang-orang telah memeriksa bagaimana kami melakukannya dan kami belum menerima indikasi jelas bahwa ada cacat yang ditemukan. Hal yang sama harus dilakukan untuk CMS,” katanya.
Menyetujui tebakan terbaik orang-orang tentang massa W berarti mempertemukan para ahli dari setiap eksperimen, serta para ahli teori, untuk mencoba memahami hasil-hasil yang berbeda. “Kita tidak boleh membiarkan keputusan CDF menjadi sesuatu yang aneh, kita perlu memahami mengapa atau bagaimana hal itu terjadi,” kata Canelli.
Bahkan jika CMS tidak menemukan anomali, proses 10 tahun menciptakan alat yang memungkinkan fisikawan melakukan pengukuran presisi lainnya. Perbandingan presisi tinggi seperti itulah yang menurut Manca pada akhirnya akan mendobrak model standar.
Artikel ini direproduksi dengan izin dan telah diterbitkan pertama kali diterbitkan pada 17 September 2024.
