Massa partikel yang mengejutkan mengancam untuk mengubah Model Standar di atas kepalanya

Dari tempat peristirahatannya di luar Chicago, Illinois, sebuah eksperimen yang telah lama mati mengancam ketidakseimbangan medan partikel elementer. Fisikawan telah bekerja selama sepuluh tahun untuk memeras pengukuran baru yang penting dari data lama eksperimen, dan sekarang hasilnya masuk. Tim menemukan bahwa boson W – partikel fundamental yang membawa gaya nuklir lemah – secara signifikan lebih berat daripada yang diprediksi teori.

Meskipun perbedaan antara prediksi teoritis dan nilai eksperimen hanya 0,09%, namun secara signifikan lebih besar dari margin kesalahan hasil, yang kurang dari 0,01%. Temuan ini juga bertentangan dengan beberapa pengukuran massa lainnya. Kolaborasi yang menjalankan eksperimen terbaru yang disebut CDF di Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) melaporkan hasilnya di Sains¹ pada tanggal 7 April.

Pengukuran “sangat menarik dan hasil yang benar-benar monumental di bidang kami,” kata Florencia Canelli, fisikawan partikel eksperimental di Universitas Zurich, Swiss. Jika dikonfirmasi oleh eksperimen lain, ini bisa menjadi terobosan besar pertama dalam Model Standar fisika partikel, sebuah teori yang telah menikmati kesuksesan spektakuler sejak pertama kali diperkenalkan pada 1970-an. Namun, Model Standar terkenal tidak lengkap, dan setiap bukti kegagalannya dapat menunjukkan jalan untuk penggantiannya dan keberadaan partikel elementer baru. “Kami pikir pengukuran khusus ini memberikan indikasi kuat tentang apa yang telah disediakan alam untuk kita,” kata Ashutosh Kotwal, fisikawan partikel eksperimental di Duke University di Durham, North Carolina, yang memimpin studi CDF.

Beberapa fisikawan menyarankan peringatan. Menghasilkan pengukuran massa W boson dari data eksperimen sangat kompleks. Meskipun pekerjaannya mengesankan, “Saya akan berhati-hati dalam menafsirkan perbedaan signifikan dari Model Standar sebagai tanda fisika baru,” kata Matthias Schott, fisikawan di Johannes Gutenberg University Mainz di Jerman yang mengerjakan eksperimen ATLAS di CERN, Laboratorium fisika partikel Eropa dekat Jenewa, Swiss. Prioritas fisikawan adalah mencari tahu mengapa nilainya berbeda dari hasil terbaru lainnya, katanya.

Partikel Kelebihan Berat Badan

Sejak penemuannya pada tahun 1983, percobaan telah menghitung boson W memiliki berat hingga 85 proton. Tetapi massa pastinya sulit untuk diukur: perkiraan eksperimental pertama memiliki margin kesalahan 5% atau lebih. “Mengukur massa boson W bisa dibilang merupakan satu-satunya parameter yang paling sulit diukur di bidang kami,” kata Mika Vesterinen, fisikawan partikel di University of Warwick, Inggris, yang mengerjakan pengukuran ini di eksperimen LHCb CERN.

Dengan sepupunya boson Z, W terlibat dalam sebagian besar jenis reaksi nuklir, termasuk Fusi memberi daya pada matahari. Boson W dan Z membawa gaya nuklir lemah – salah satu dari empat gaya fundamental alam – sama seperti interaksi elektromagnetik yang melibatkan pertukaran foton.

Collider menghasilkan boson W dengan melemparkan partikel berenergi tinggi bersama-sama. Eksperimen biasanya mendeteksi mereka dengan peluruhannya menjadi semacam elektron atau sepupunya yang lebih berat, muon, ditambah neutrino. Neutrino lolos dari detektor tanpa jejak, sedangkan elektron atau muon meninggalkan jejak yang mencolok.

Selama peluruhan, sebagian besar massa awal W diubah menjadi energi partikel baru. Jika fisikawan dapat mengukur energi ini dan lintasan semua partikel peluruhan, mereka dapat langsung menghitung massa W yang menciptakannya. Tetapi tanpa melacak neutrino, mereka tidak dapat mengatakan dengan pasti berapa fraksi elektron atau energi muon yang berasal dari massa W dan berapa fraksi dari momentumnya. Itu membuat pengukuran “sangat sulit,” kata Vesterinen. “Anda mencoba membangun massa ketika Anda hanya melihat setengah peluruhan.”

Eksperimen lama, trik baru

Dalam karya terbarunya, Kotwal dan rekan-rekannya bertujuan untuk membuat pengukuran massa W. yang paling akurat. Semua data dikumpulkan hingga tahun 2011, ketika Tevatron oleh Fermilab — mesin proton-antiproton-tabrakan melingkar sepanjang 6 kilometer yang pernah menjadi akselerator paling kuat di dunia — dimatikan. Tetapi pengukuran terakhir tidak mungkin dilakukan saat itu, kata Kotwal. Sebaliknya, ini adalah hasil perbaikan terus-menerus dalam teknik analisis data, serta pemahaman komunitas fisika partikel yang meningkat tentang bagaimana proton dan antiproton berperilaku dalam tumbukan. “Banyak teknik untuk mencapai presisi seperti itu yang bahkan belum kami pelajari di 2012.”

Tim memeriksa sekitar 4 juta boson W yang diproduksi di detektor CDF, diproduksi pada tahun 2002 dan 2011 – kumpulan data empat kali lebih besar dari pengukuran awal pada tahun 2012². Mereka menghitung energi setiap elektron peluruhan dengan mengukur bagaimana kurva lintasannya dalam medan magnet. Satu kemajuan yang sulit selama dekade terakhir telah meningkatkan resolusi lintasan dari sekitar 150 mikron menjadi kurang dari 30 mikron, kata Kotwal.

Setelah memetakan distribusi energi elektron, tim menghitung massa boson yang paling sesuai dengan data. Itu adalah 80.433 megaelektronvolt (MeV) dengan margin kesalahan hanya 9,4 MeV.

Hasilnya menambah koleksi pengukuran massa W yang dibuat oleh setiap akselerator partikel terkemuka di seluruh dunia; presisi telah meningkat sejak partikel itu ditemukan di CERN. Para peneliti yang bekerja pada CDF dan DZero, detektor besar lainnya di Tevatron, sebelumnya telah menerbitkan pengukuran massa W yang kurang akurat.^2,3. Eksperimen ATLAS dan LHCb di Large Hadron Collider CERN, akselerator paling kuat di dunia, juga menerbitkan nilai mereka sendiri^4,5.

Hasil CDF terbaru ini diharapkan bisa menggandakan akurasi pemegang rekor sebelumnya, yakni ATLAS sebesar 80.370 MeV dengan rentang ±19. Namun, hasil tersebut bertentangan dengan beberapa pengukuran sebelumnya, yang semuanya sesuai dengan prediksi teoritis terbaik sebesar 80.357 MeV. ATLAS dan LHCb memperbarui pengukuran boson W mereka dan harus dapat menyamai keakuratan hasil CDF dalam beberapa tahun, kata Vesterinen, dan dapat mengonfirmasi atau menantangnya.

Satu perbedaan antara eksperimen adalah bagaimana tim memodelkan produksi boson W, yang memengaruhi perhitungan massanya. Fisikawan LHC sebelumnya telah menyoroti bug dengan program yang disebut Resbos yang digunakan oleh CDF; iterasi yang ditingkatkan ada. Tapi Kotwal mengatakan peneliti CDF memilih teknik asli jauh sebelumnya dan mengubah teknik untuk membawa hasil yang sejalan dengan teori akan salah.

Pertanda penderitaan teoretis

Jika skor massa bertahan, ahli teori akan memiliki hari yang menyenangkan. Fisikawan teoretis telah menemukan banyak ekstensi hipotetis atau reformasi Model Standar, dan dalam banyak kasus ini juga memprediksi massa boson W yang berbeda dibandingkan dengan teori vanila. “Massa W adalah tempat yang sempurna untuk mencari fisika baru dan penyimpangan dari Model Standar,” kata Sven Heinemeyer, ahli teori di Institut Fisika Cantabria di Spanyol.

Penjelasan yang lebih disukai Heinemeyer untuk perbedaan tersebut adalah supersimetri, model yang memprediksi keberadaan pasangan yang lebih berat untuk setiap partikel Model Standar. Partikel tersebut dapat terus bergerak masuk dan keluar dari ruang hampa yang mengelilingi partikel W, membuatnya lebih kuat.

Penjelasan lain yang mungkin berkaitan dengan Higgs boson, boson lain yang ditemukan oleh LHC pada tahun 2012. Jika sifat Higgs berbeda dari yang diyakini saat ini — misalnya, jika itu adalah partikel komposit daripada partikel elementer, atau jika ada beberapa versi — ini akan mempengaruhi massa W.

Eksperimen LHC besar lainnya yang disebut CMS sedang mengerjakan ukurannya sendiri untuk massa boson W, kata Canelli, peneliti utama dalam kolaborasi CMS (Canelli juga merupakan anggota kolaborasi CDF, tetapi dia tidak terlibat dalam menghasilkan yang terbaru melibatkan hasil untuk menghindari konflik kepentingan). “Ini adalah salah satu pengukuran terpenting dari program fisika kami.”