Neue Ergebnisse des CMS-Experiments lösen das Rätsel um die Masse des W-Bosons

Nach einer unerwarteten Messung durch das Collider Detector-Experiment am Fermilab (CDF) im Jahr 2022 gaben Physiker des Compact Muon Solenoid-Experiments (CMS) am Large Hadron Collider (LHC) heute eine neue Massenmessung des W-Bosons bekannt, eines der kraftübertragenden Teilchen der Natur.

Diese neue Messung, die für das CMS-Experiment eine Premiere darstellt, verwendet eine neue Technik, die sie zur bislang aufwändigsten Untersuchung der Masse des W-Bosons macht. Nach fast einem Jahrzehnt der Analyse CMS hat festgestellt dass die Masse des W-Bosons mit den Vorhersagen übereinstimmt und damit ein jahrelanges Rätsel endlich gelöst ist.

Für die abschließende Analyse wurden 300 Millionen Ereignisse verwendet, die während des LHC-Laufs 2016 gesammelt wurden, sowie 4 Milliarden simulierte Ereignisse. Aus diesem Datensatz rekonstruierte das Team die Masse von mehr als 100 Millionen W-Bosonen und maß sie anschließend.

Sie fanden heraus, dass die Masse des W-Bosons 80.360,2 ± 9,9 Megaelektronenvolt (MeV) beträgt, was mit den Vorhersagen des Standardmodells von 80.357 ± 6 MeV übereinstimmt. Sie führten außerdem eine separate Analyse durch, um die theoretischen Annahmen zu überprüfen.

„Das neue CMS-Ergebnis ist aufgrund seiner Präzision und der Art und Weise, wie wir die Unsicherheiten bestimmt haben, einzigartig“, sagte Patty McBride, eine renommierte Wissenschaftlerin am Fermi National Research Laboratory des US-Energieministeriums und ehemalige CMS-Sprecherin.

„Wir haben viel von CDF und den anderen Experimenten gelernt, die an der Frage der W-Boson-Masse gearbeitet haben. Wir stehen auf ihren Schultern, und das ist einer der Gründe, warum wir diese Studie einen großen Schritt nach vorne bringen können.“

Seit der Entdeckung des W-Bosons im Jahr 1983 haben Physiker in zehn verschiedenen Experimenten seine Masse gemessen.

Das W-Boson ist einer der Eckpfeiler des Standardmodells, dem theoretischen Rahmen, der die Natur auf ihrer grundlegendsten Ebene beschreibt. Ein genaues Verständnis der Masse des W-Bosons ermöglicht es Wissenschaftlern, das Zusammenspiel von Teilchen und Kräften abzubilden, einschließlich der Stärke des Higgs-Felds und der Verschmelzung von Elektromagnetismus mit der schwachen Kraft, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist.

„Das gesamte Universum ist ein heikler Balanceakt“, sagte Anadi Canepa, stellvertretende Sprecherin des CMS-Experiments und leitende Wissenschaftlerin am Fermilab. „Wenn die W-Masse anders ist als erwartet, könnten neue Teilchen oder Kräfte im Spiel sein.“

Die neue CMS-Messung hat eine Genauigkeit von 0,01 %. Diese Genauigkeit entspricht der Messung eines 4 Zoll langen Bleistifts auf 3,9996 bis 4,0004 Zoll. Doch anders als Bleistifte ist das W-Boson ein Elementarteilchen ohne physikalisches Volumen und mit einer Masse, die kleiner ist als ein einzelnes Silberatom.

„Diese Messung ist extrem schwierig durchzuführen“, fügte Canepa hinzu. „Wir brauchen mehrere Messungen aus mehreren Experimenten, um den Wert zu überprüfen.“

Das CMS-Experiment unterscheidet sich von den anderen Experimenten, bei denen diese Messung durchgeführt wurde, durch sein kompaktes Design, spezielle Sensoren für Elementarteilchen, sogenannte Myonen, und einen extrem starken Solenoidmagneten, der die Flugbahn geladener Teilchen auf ihrem Weg durch den Detektor krümmt.

„Das Design von CMS macht es besonders gut geeignet für präzise Massenmessungen“, sagte McBride. „Es ist ein Experiment der nächsten Generation.“

Da die meisten Elementarteilchen unglaublich kurzlebig sind, messen Wissenschaftler ihre Masse, indem sie die Masse und Impulse aller Teilchen addieren, in die sie zerfallen. Diese Methode funktioniert gut für Teilchen wie das Z-Boson, einen Cousin des W-Bosons, das in zwei Myonen zerfällt. Das W-Boson stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da eines seiner Zerfallsprodukte ein winziges Elementarteilchen namens Neutrino ist.

„Neutrinos sind bekanntermaßen schwer zu messen“, sagte Josh Bendavid, ein Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology, der an dieser Analyse mitgearbeitet hat. „Bei Kollider-Experimenten bleibt das Neutrino unentdeckt, daher können wir nur mit der Hälfte des Bildes arbeiten.“

Da sie nur mit der Hälfte des Bildes arbeiten müssen, müssen die Physiker kreativ sein. Bevor sie die Analyse mit echten experimentellen Daten durchführten, simulierten die Wissenschaftler zunächst Milliarden von LHC-Kollisionen.

„In einigen Fällen mussten wir sogar kleine Verformungen im Detektor modellieren“, sagte Bendavid. „Die Präzision ist hoch genug, dass uns kleine Verdrehungen und Biegungen auffallen, selbst wenn sie nur so klein sind wie die Breite eines menschlichen Haares.“

Darüber hinaus benötigen die Physiker zahlreiche theoretische Informationen, etwa was im Inneren der Protonen passiert, wenn sie kollidieren, wie das W-Boson entsteht und wie es sich bewegt, bevor es zerfällt.

„Es ist eine wahre Kunst, die Auswirkungen theoretischer Eingaben herauszufinden“, sagte McBride.

In der Vergangenheit verwendeten Physiker bei der Kalibrierung ihrer theoretischen Modelle das Z-Boson als Ersatz für das W-Boson. Diese Methode hat zwar viele Vorteile, bringt jedoch auch eine zusätzliche Unsicherheit in den Prozess.

„Z- und W-Bosonen sind Geschwister, aber keine Zwillinge“, sagte Elisabetta Manca, Forscherin an der University of California Los Angeles und eine der Analysatoren. „Physiker müssen bei der Extrapolation vom Z- auf das W-Boson einige Annahmen treffen, und diese Annahmen werden noch diskutiert.“

Um diese Unsicherheit zu verringern, entwickelten CMS-Forscher eine neuartige Analysetechnik, die zur Einschränkung der theoretischen Eingaben ausschließlich reale W-Boson-Daten verwendet.

„Dank einer Kombination aus einem größeren Datensatz, der Erfahrung, die wir aus einer früheren W-Boson-Studie gewonnen haben, und den neuesten theoretischen Entwicklungen konnten wir dies effektiv tun“, sagte Bendavid. „Dadurch konnten wir uns vom Z-Boson als Bezugspunkt lösen.“

Im Rahmen dieser Analyse untersuchten sie auch 100 Millionen Spuren aus dem Zerfall bekannter Teilchen, um einen großen Teil des CMS-Detektors so lange neu zu kalibrieren, bis er um eine Größenordnung präziser war.

„Dieses neue Maß an Präzision wird es uns ermöglichen, kritische Messungen, wie etwa jene mit den W-, Z- und Higgs-Bosonen, mit verbesserter Genauigkeit durchzuführen“, sagte Manca.

Die größte Herausforderung bei der Analyse bestand darin, dass sie sehr zeitintensiv war, da hierfür eine neuartige Analysetechnik entwickelt und ein unglaublich tiefes Verständnis des CMS-Detektors erarbeitet werden musste.

„Ich habe mit dieser Forschung als Sommerstudent begonnen und bin jetzt im dritten Jahr als Postdoc“, sagte Manca. „Es ist ein Marathon, kein Sprint.“