ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค มวลของตัวพาของอันตรกิริยาที่อ่อนแอ ซึ่งก็คือโบซอน W และ Z มีความสัมพันธ์กันโดยเฉพาะ ฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานสามารถเปลี่ยนความสัมพันธ์นี้ได้ด้วยผลกระทบของลูปควอนตัมอนุภาคเสมือน ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวัดมวลเหล่านี้ด้วยความแม่นยำสูงสุดที่เป็นไปได้ แม้ว่ามวลของ Z โบซอนจะมีความแม่นยำอย่างน่าทึ่งที่เกือบ 20 ส่วนในล้านส่วน (2 MeV) แต่มวลของ W โบซอนนั้นแม่นยำน้อยกว่ามาก ที่การวัดใหม่ซึ่งเป็นครั้งแรกสำหรับการทดลอง Compact Muon Solenoid (CMS) ที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ของ CERN โดยใช้เทคนิคใหม่ที่ทำให้เป็นการตรวจสอบมวลของ W boson ที่ซับซ้อนที่สุดจนถึงปัจจุบัน
เหตุการณ์การชนกันของผู้สมัคร CMS สำหรับ W โบซอนสลายตัวเป็นมิวออน (เส้นสีแดง) และนิวตริโนที่หลุดรอดจากการตรวจจับ (ลูกศรสีชมพู) เครดิตภาพ: CMS / CERN
ในแบบจำลองมาตรฐาน มวล W มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความแรงของอันตรกิริยาที่รวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนเข้าด้วยกัน และกับมวลของฮิกส์โบซอนและท็อปควาร์ก ซึ่งจำกัดค่าของมันไว้ที่ 80353 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ภายในความไม่แน่นอน ของ 6 MeV
การวัดมวลที่มีความแม่นยำสูงจึงทำให้สามารถทดสอบได้ว่าคุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดสอดคล้องกันในลักษณะที่สอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐานหรือไม่
หากไม่เป็นเช่นนั้น สาเหตุอาจเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ใหม่ๆ เช่น อนุภาคหรือปฏิกิริยาใหม่
นับตั้งแต่การค้นพบที่ CERN เมื่อประมาณ 40 ปีที่แล้ว W boson ก็สามารถวัดมวลได้แม่นยำยิ่งขึ้นด้วยการทดลองชนกันหลายครั้ง
ในปี 2022 มวลของมันมีมูลค่าสูงอย่างน่าประหลาดใจโดยเครื่องตรวจจับชนกันที่ Fermilab (CDF) ทำให้อนุภาคเข้าสู่ 'วิกฤตวัยกลางคน'
มวลโบซอน CDF W คือ 80433.5 MeV ที่มีความไม่แน่นอน 9.4 MeV แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากการทำนายแบบจำลองมาตรฐานและจากผลการทดลองอื่นๆ ทำให้ต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม
ในปี 2023 ความร่วมมือ ATLAS ที่ CERN ซึ่งจัดให้มีการตรวจวัดมวลโบซอน W ครั้งแรกในปี 2017 ได้เผยแพร่การวัดที่ได้รับการปรับปรุงโดยอิงจากการวิเคราะห์ข้อมูลการชนกันของโปรตอน-โปรตอนใหม่จากการเรียกใช้ LHC ครั้งแรก
ผลลัพธ์ที่ได้รับการปรับปรุงนี้ คือ 80366.5 MeV ด้วยความไม่แน่นอนที่ 15.9 MeV สอดคล้องกับการวัดก่อนหน้านี้ทั้งหมด ยกเว้นการวัด CDF ซึ่งยังคงแม่นยำที่สุดจนถึงปัจจุบัน ด้วยความแม่นยำ 0.01%
ขณะนี้ การทดลอง CMS ได้มีส่วนสนับสนุนความพยายามระดับโลกด้วยการตรวจวัดมวลโบซอน W ครั้งแรก
ผลลัพธ์ที่คาดว่าจะได้รับอย่างมากคือ 80360.2 โดยมีความไม่แน่นอน 9.9 MeV มีความแม่นยำเทียบเคียงได้กับการวัด CDF และสอดคล้องกับการวัดครั้งก่อนๆ ทั้งหมด ยกเว้นผลลัพธ์ CDF
“การวิเคราะห์นี้เป็นความพยายามครั้งแรกในการวัดมวล W ในสภาพแวดล้อมการชนที่รุนแรงของช่วงการทำงานครั้งที่สองของ LHC” ดร. แพทริเซีย แมคไบรด์ กล่าว
“และการทำงานหนักทั้งหมดจากทีมงานส่งผลให้มีการวัดมวล W ที่แม่นยำอย่างยิ่งและการวัดที่แม่นยำที่สุดที่ LHC”
“การวัดมวล W เป็นสิ่งที่ท้าทายมาก โดยเกี่ยวข้องกับการวัดที่ละเอียดอ่อนและการสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีของการผลิต W โบซอน และการสลายตัวของมันให้เป็นเลปตัน (ในที่นี้คือมิวออน) และนิวตริโนที่รอดพ้นการตรวจจับ” ดร. โกติเยร์ ฮาเมล เดอ มอนเชโนต์ กล่าวเสริม
“ด้วยการใช้ประโยชน์จากความสามารถของเครื่องตรวจจับ CMS ในการวัดมิวออนด้วยความแม่นยำสูง และใช้ส่วนผสมทางทฤษฎีล่าสุดและล้ำหน้าที่สุด ซึ่งบางส่วนได้รับการทดสอบโดยการวิเคราะห์แบบตรวจสอบข้าม เราจึงบรรลุระดับความแม่นยำเป็นประวัติการณ์”
