Świat fizyki cząstek elementarnych stał ostatnio na niepewnym gruncie. Przez lata naukowcy dokładnie badali cząstki, aby upewnić się, że reguły, których używamy do wyjaśnienia wszechświata, są poprawne, ale wyniki są niepokojąco niespójne.

Ponadto fizycy korzystający z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) zmierzyli najcięższą znaną cząstkę elementarną z niespotykaną dotąd dokładnością. To bardzo potrzebne zwycięstwo Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych — zestawu reguł, które przewidują zachowanie wszystkich cząstek tworzących nasz świat — nowe obliczenia mają margines błędu znacznie mniejszy niż poprzednie, co daje fizykom pewność co do prawdziwej masy nowo odkrytej cząstki. 

Nie oznacza to jednak, że sprawa jest zamknięta – ten pomiar może być tylko początkiem głębszego zrozumienia, jak działa nasz Wszechświat. Cząstka elementarna, o której mowa, nazywana jest kwarkiem górnym i jest najbardziej masywną ze wszystkich znanych cząstek elementarnych, przyczyniając się do fundamentalnej części naszego zrozumienia wszechświata.  Co ważne, czerpie ona swoją masę ze związku z nieuchwytnym bozonem Higgsa. To partnerstwo jest najsilniejszą więzią na tę skalę, jaką znamy w Modelu Standardowym.

Ważne jest również, na co rozpada się kwark górny. Po rozbiciu w zderzaczu, kwark górny może rozpadać się tylko pod działaniem słabych sił i rozpada się na bozon W (i zwykle kwark dolny). Po latach prób dziurkowania w Modelu Standardowym naukowcy opublikowali niedawno przekonujące dowody wskazujące, że wcześniejsze szacunki masy bozonu W mogą być błędne. Jeśli te wyniki zostaną potwierdzone, oznaczałoby to, że cały Model Standardowy może być błędny. I tu właśnie wkracza kwark górny - możemy wykorzystać jego masę do przewidywania zarówno bozonu Higgsa, jak i bozonu W, więc uzyskanie jak najlepszych szacunków ma kluczowe znaczenie.

Choć może wydawać się proste, aby móc „zważyć” te cząstki w sposób, w jaki ważymy zwykłe obiekty, aby poznać ich masę, tak naprawdę nie jest to takie proste. Aby stworzyć cząstkę elementarną, taką jak kwark górny, fizycy zderzają ze sobą cząstki subatomowe znane jako protony w urządzeniach takich jak Wielki Zderzacz Hadronów. Każda kolizja wyrzuca szereg innych cząstek, umożliwiając naukowcom badanie tych produktów ubocznych w kontrolowanym środowisku. Jednak nadal nie jest łatwo zaobserwować właściwości każdej cząstki. Kiedy zaczynamy mówić o tych niewiarygodnie małych skalach, wchodzimy w sferę kwantową, w której cząstki stają się trochę rozmyte i trudno jest dokładnie określić ich masę.

Jest kilka sposobów na obejście tego. Jednym z nich jest kilkakrotne przeprowadzenie eksperymentu, a następnie statystyczne przetworzenie wyników. Innym jest użycie różnych metod. W tym przypadku badacze zmierzyli cząstkę bezpośrednio i jednocześnie dokonali pomiaru przy użyciu innych form danych w połączeniu z ustaloną teorią. Naukowcy twierdzą, że ich nowy wynik jest o 0,12 GeV dokładniejszy niż poprzednie obliczenia oparte na tych samych danych, przy 172,76 gigaelektronowolta (plus minus 0,3 gigaelektronowolta). Jest to całkiem zgodne z tym, czego oczekujemy od teorii opartych na Modelu Standardowym.

Większa dokładność wynika z nowych metod analizy, które wykorzystują więcej zmiennych niż wcześniej, aby lepiej radzić sobie z niepewnościami między pomiarami. Najnowszy pomiar zbadał dane dotyczące kolizji z detektora LHC CMS (Compact Muon Solenoid) w 2016 roku. Badacze z CERN zbadali pięć różnych właściwości zderzeń, w wyniku których powstaje para kwarków górnych. Rozważane właściwości zależą od masy kwarka górnego, a we wcześniejszych badaniach rozważano tylko trzy właściwości zdarzeń. Zespół następnie skalibrował ten zestaw danych z najwyższą precyzją, aby określić, jakie niepewności pozostały — mogli wyodrębnić te niepewności i lepiej je zrozumieć podczas obliczania najlepszego dopasowania dla ostatecznej masy kwarka górnego.  

Chociaż ten wynik sam w sobie jest dużym krokiem naprzód dla fizyki cząstek elementarnych i wstępnym zwycięstwem Modelu Standardowego, CERN twierdzi, że możemy spodziewać się jeszcze lepszej dokładności, gdy to samo podejście zostanie zastosowane do zbioru danych zebranych przez detektor CMS w latach 2017 i 2018 – nie wspominając o przyszłych, już rekordowych studiach. LHC właśnie ruszył ponownie po trzyletnim wyłączeniu i już bije rekordy.