Letzte Woche präsentierte die CMS-Kollaboration auf der jährlichen Rencontres de Moriond-Konferenz eine Messung des effektiven leptonischen elektroschwachen Mischungswinkels. Das Ergebnis ist die bislang genaueste Messung an einem Hadronenbeschleuniger und stimmt gut mit der Vorhersage des Standardmodells überein.
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die bislang genaueste Beschreibung von Teilchen und ihren Wechselwirkungen. Präzise Messungen seiner Parameter, kombiniert mit präzisen theoretischen Berechnungen, ergeben eine spektakuläre Vorhersagekraft, die es ermöglicht, Phänomene zu bestimmen, noch bevor sie direkt beobachtet werden.
Auf diese Weise gelang es dem Modell, die Massen der W- und Z-Bosonen (1983 am CERN entdeckt), des Top-Quarks (1995 am Fermilab entdeckt) und zuletzt des Higgs-Bosons (2012 am CERN entdeckt) erfolgreich einzuschränken ). Nachdem diese Teilchen entdeckt worden waren, wurden diese Vorhersagen zu Konsistenzprüfungen für das Modell und ermöglichten es den Physikern, die Grenzen der Gültigkeit der Theorie zu erkunden.
Gleichzeitig sind Präzisionsmessungen der Eigenschaften dieser Teilchen ein leistungsstarkes Werkzeug für die Suche nach neuen Phänomenen jenseits des Standardmodells – der sogenannten „neuen Physik“ –, da sich neue Phänomene als Diskrepanzen zwischen verschiedenen gemessenen und berechneten Größen manifestieren würden.
Der elektroschwache Mischwinkel ist ein Schlüsselelement dieser Konsistenzprüfungen. Es ist ein grundlegender Parameter des Standardmodells und bestimmt, wie die einheitliche elektroschwache Wechselwirkung durch einen Prozess, der als elektroschwache Symmetriebrechung bekannt ist, zu elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen führte. Gleichzeitig verknüpft es mathematisch die Massen der W- und Z-Bosonen, die die schwache Wechselwirkung übertragen. Messungen des W, des Z oder des Mischungswinkels bieten daher eine gute experimentelle Gegenprüfung des Modells.
Die beiden genauesten Messungen des schwachen Mischungswinkels wurden durch Experimente am CERN LEP Collider und durch das SLD-Experiment am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) durchgeführt. Die Werte stimmen nicht überein, was den Physikern über ein Jahrzehnt lang Rätsel aufgegeben hat. Das neue Ergebnis stimmt gut mit der Vorhersage des Standardmodells überein und ist ein Schritt zur Lösung der Diskrepanz zwischen letzterer und den LEP- und SLD-Messungen.
„Dieses Ergebnis zeigt, dass Präzisionsphysik an Hadronenkollidern durchgeführt werden kann“, sagt Patricia McBride, CMS-Sprecherin. „Die Analyse musste mit der anspruchsvollen Umgebung von LHC Run 2 zurechtkommen, mit durchschnittlich 35 gleichzeitigen Proton-Proton-Kollisionen. Dies ebnet den Weg für eine präzisere Physik am High-Luminosity LHC, wo fünfmal mehr Protonenpaare gleichzeitig kollidieren werden.“ .“
Präzisionstests der Standardmodellparameter sind das Erbe von Elektron-Positron-Kollidern wie dem LEP des CERN, der bis zum Jahr 2000 in dem Tunnel betrieben wurde, in dem sich heute der LHC befindet. Elektron-Positron-Kollisionen bieten eine perfekte saubere Umgebung für solche hochpräzisen Messungen.
Proton-Proton-Kollisionen im LHC stellen für diese Art von Untersuchungen eine größere Herausforderung dar, auch wenn die Experimente ATLAS, CMS und LHCb bereits eine Fülle neuer ultrapräziser Messungen geliefert haben. Die Herausforderung liegt vor allem an den enormen Hintergründen anderer physikalischer Prozesse als dem untersuchten und an der Tatsache, dass Protonen im Gegensatz zu Elektronen keine Elementarteilchen sind.
Für dieses neue Ergebnis schien es eine unmögliche Aufgabe zu sein, eine Präzision zu erreichen, die der eines Elektron-Positron-Kolliders ähnelt, aber jetzt ist es gelungen.
Die von CMS vorgestellte Messung verwendet eine Stichprobe von Proton-Proton-Kollisionen, die zwischen 2016 und 2018 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV gesammelt wurden und einer gesamten integrierten Leuchtkraft von 137 fb−1 entsprechen, was etwa 11.000 Millionen Kollisionen entspricht.
Der Mischungswinkel wird durch eine Analyse der Winkelverteilungen bei Kollisionen ermittelt, bei denen Elektronen- oder Myonenpaare erzeugt werden. Dies ist die bislang präziseste Messung, die an einem Hadronenbeschleuniger durchgeführt wurde, und übertrifft frühere Messungen von ATLAS, CMS und LHCb.