Открытие бозона Хиггса в 2012 году позволило вставить последнюю недостающую часть в головоломку Стандартной модели. Тем не менее, оно оставило много вопросов. Что находится за пределами этой модели? Где нужно искать новые явления, которые позволили бы разгадать оставшиеся тайны Вселенной, такие как природа темной материи и происхождение асимметрии материи и антиматерии?

Одним из параметров, который может указать направление поиска новых физических явлений, является "ширина" W-бозона -- электрически заряженного переносчика слабого взаимодействия. Ширина частицы определяется ее временем жизни и описывает, как она распадается на другие частицы. Если W-бозон распадется неожиданным образом, например, на еще не открытые новые частицы, это повлияет на измеряемую ширину. Поскольку значение ширины бозона точно предсказано Стандартной моделью на основе силы взаимодействия заряженных слабых токов и массы W-бозона (наряду с более мелкими квантовыми эффектами), любое значительное отклонение от предсказания будет указывать на наличие неучтенных явлений.

В новом исследовании коллаборация ATLAS впервые измерила ширину W-бозона на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC). Ранее ширина W-бозона была измерена на Большом электрон-позитронном коллайдере (Large Electron–Positron, LEP) в ЦЕРНе и на коллайдере Теватрон (Tevatron) в Фермилабе. Среднее значение искомой величины в этих экспериментах получилось равным МэВ, что соответствует предсказанию Стандартной модели МэВ. Используя данные о протон-протонных столкновениях при энергии ТэВ, собранные во время первого запуска LHC, ATLAS измерил ширину W-бозона и получил МэВ. Это самое точное на сегодняшний день измерение, проведенное в рамках одного эксперимента, и оно согласуется с предсказанием стандартной модели с точностью до стандартных отклонений (см. рисунок ниже).

Этот замечательный результат был достигнут благодаря детальному анализу распадов W-бозона на электрон или мюон и соответствующие им нейтрино. Это потребовало от физиков точной калибровки отклика детектора ATLAS на эти частицы по эффективности, энергии и импульсу с учетом вклада фоновых процессов.

Однако достижение такой высокой точности также требует объединения нескольких высокоточных результатов. Например, точное понимание образования W-бозона в протон-протонных столкновениях было крайне важно, и исследователи опирались на комбинацию теоретических предсказаний, подтвержденных различными измерениями свойств W- и Z-бозонов. Для этих измерений также важно знать внутреннюю структуру протона, которая описывается функциями распределения партонов. Физики ATLAS включили в рассмотрение и проверили функции распределения партонов, полученные международными исследовательскими группами на основе подгонки данных из большого числа экспериментов по физике частиц.

Коллаборация ATLAS измерила ширину W-бозона одновременно с массой W-бозона при помощи статистического метода, который позволил напрямую ограничить часть параметров, определяющих неточности, из измеренных данных, что повысило точность измерений. Обновленное измерение массы W-бозона составляет МэВ, что улучшает и превосходит предыдущее измерение ATLAS с использованием того же набора данных. Измеренные значения массы и ширины согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Ожидается, что будущие измерения ширины и массы W-бозона с помощью больших наборов данных ATLAS уменьшат статистические и экспериментальные неточности. Одновременно с этим прогресс в теоретических предсказаниях и более точное понимание функций распределения партонов помогут уменьшить теоретические неопределенности. По мере того как измерения будут становиться все более точными, физики смогут проводить еще более строгие проверки Стандартной модели и искать новые частицы и силы.