Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 fügte das letzte fehlende Teil des Standardmodell-Puzzles hinzu. Dennoch hinterließ es offene Fragen. Was liegt jenseits dieses Rahmens? Wo sind die neuen Phänomene, die die verbleibenden Rätsel des Universums lösen würden, etwa die Natur der Dunklen Materie und den Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie?
Ein Parameter, der Hinweise auf neue physikalische Phänomene geben könnte, ist die „Breite“ des W-Bosons, des elektrisch geladenen Trägers der schwachen Kraft. Die Breite eines Teilchens steht in direktem Zusammenhang mit seiner Lebensdauer und beschreibt, wie es in andere Teilchen zerfällt. Wenn das W-Boson auf unerwartete Weise zerfällt, beispielsweise in noch zu entdeckende neue Teilchen, wird dies die gemessene Breite beeinflussen.
Da das Standardmodell seinen Wert basierend auf der Stärke der geladenen schwachen Kraft und der Masse des W-Bosons (zusammen mit kleineren Quanteneffekten) präzise vorhersagt, würde jede signifikante Abweichung von der Vorhersage auf das Vorhandensein unerklärter Phänomene hinweisen.
In einer neuen Studie veröffentlicht auf der arXiv Auf dem Preprint-Server hat die ATLAS-Kollaboration erstmals die Breite des W-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) gemessen. Die Breite des W-Bosons wurde zuvor am Large Electron-Positron (LEP) Collider des CERN und am Tevatron Collider des Fermilab gemessen und ergab einen Durchschnittswert von 2085 ± 42 Millionen Elektronenvolt (MeV), was mit der Vorhersage des Standardmodells von 2088 ± 1 MeV übereinstimmt .
Mithilfe von Proton-Proton-Kollisionsdaten bei einer Energie von 7 TeV, die während Lauf 1 des LHC gesammelt wurden, maß ATLAS die Breite des W-Bosons mit 2202 ± 47 MeV. Dies ist die genaueste Messung, die bisher in einem einzelnen Experiment durchgeführt wurde, und sie ist zwar etwas größer, stimmt aber bis auf 2,5 Standardabweichungen mit der Vorhersage des Standardmodells überein (siehe Abbildung unten).
Dieses bemerkenswerte Ergebnis wurde durch die Durchführung einer detaillierten Teilchen-Impuls-Analyse der Zerfälle des W-Bosons in ein Elektron oder Myon und das entsprechende Neutrino erzielt, die unentdeckt bleiben, aber eine Signatur fehlender Energie im Kollisionsereignis hinterlassen (siehe Bild oben). Dazu mussten die Physiker die Reaktion des ATLAS-Detektors auf diese Teilchen hinsichtlich Effizienz, Energie und Impuls genau kalibrieren und dabei die Beiträge von Hintergrundprozessen berücksichtigen.
Um eine solch hohe Präzision zu erreichen, ist jedoch auch das Zusammentreffen mehrerer hochpräziser Ergebnisse erforderlich. Beispielsweise war ein genaues Verständnis der W-Boson-Produktion bei Proton-Proton-Kollisionen unerlässlich, und die Forscher stützten sich auf eine Kombination theoretischer Vorhersagen, die durch verschiedene Messungen der W- und Z-Boson-Eigenschaften validiert wurden.
Entscheidend für diese Messung ist außerdem die Kenntnis der inneren Struktur des Protons, die in Partonenverteilungsfunktionen beschrieben wird. ATLAS-Physiker integrierten und testeten Partonenverteilungsfunktionen, die von globalen Forschungsgruppen aus Anpassungsdaten aus einer Vielzahl von Teilchenphysikexperimenten abgeleitet wurden.
Die ATLAS-Kollaboration maß die W-Boson-Breite gleichzeitig mit der W-Boson-Masse mithilfe einer statistischen Methode, die es ermöglichte, einen Teil der Parameter zur Quantifizierung von Unsicherheiten direkt aus den Messdaten abzuleiten und so die Präzision der Messung zu verbessern.
Die aktualisierte Messung der W-Boson-Masse beträgt 80367 ± 16 MeV, was die vorherige ATLAS-Messung mit demselben Datensatz verbessert und ersetzt. Die gemessenen Werte sowohl der Masse als auch der Breite stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein.
Zukünftige Messungen der Breite und Masse des W-Bosons mithilfe größerer ATLAS-Datensätze dürften die statistischen und experimentellen Unsicherheiten verringern. Gleichzeitig werden Fortschritte bei theoretischen Vorhersagen und ein verfeinertes Verständnis der Partonverteilungsfunktionen dazu beitragen, die theoretischen Unsicherheiten zu verringern. Da ihre Messungen immer präziser werden, können Physiker das Standardmodell noch strenger testen und nach neuen Teilchen und Kräften suchen.
Mehr Informationen:
ATLAS-Kollaboration, Messung der W-Boson-Masse und -Breite mit dem ATLAS-Detektor unter Verwendung von Proton-Proton-Kollisionen bei s√ = 7 TeV, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2403.15085