Die CMS-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) hat die bisher genaueste Messung der Masse des Top-Quarks – des schwersten bekannten Elementarteilchens – durchgeführt. Das neueste CMS-Ergebnis schätzt den Wert der Top-Quark-Masse mit einer Genauigkeit von etwa 0,22 %. Der erhebliche Gewinn an Genauigkeit ergibt sich aus neuen Analysemethoden und verbesserten Verfahren, um unterschiedliche Messunsicherheiten konsistent und gleichzeitig zu behandeln.
Die genaue Kenntnis der Top-Quark-Masse ist von größter Bedeutung, um unsere Welt im kleinsten Maßstab zu verstehen. Dieses schwerste Elementarteilchen so genau wie möglich zu kennen, ist entscheidend, weil es erlaubt, die interne Konsistenz der mathematischen Beschreibung aller Elementarteilchen, dem so genannten Standardmodell, zu testen.
Wenn zum Beispiel die Massen des W-Bosons und des Higgs-Bosons genau bekannt sind, kann die Top-Quark-Masse durch das Standardmodell vorhergesagt werden. Ebenso kann unter Verwendung der Top-Quark- und Higgs-Boson-Massen die W-Boson-Masse vorhergesagt werden. Interessanterweise ist die theoretisch-physikalische Definition der Masse, die mit dem Effekt quantenphysikalischer Korrekturen zu tun hat, trotz vieler Fortschritte immer noch schwer für das Top-Quark festzulegen.
Und bemerkenswerterweise hängt unser Wissen über die Stabilität unseres Universums von unserem kombinierten Wissen über die Massen des Higgs-Bosons und der Top-Quarks ab. Dass das Universum einem metastabilen Zustand sehr nahe kommt, wissen wir nur mit der Genauigkeit der aktuellen Messungen der Top-Quark-Masse. Wenn die Top-Quark-Masse auch nur geringfügig anders wäre, wäre das Universum langfristig weniger stabil und würde möglicherweise schließlich in einem heftigen Ereignis ähnlich dem Urknall verschwinden.
Für ihre jüngste Messung der Top-Quark-Masse hat das CMS-Team unter Verwendung von Daten aus Proton-Proton-LHC-Kollisionen, die 2016 vom CMS-Detektor gesammelt wurden, fünf verschiedene Eigenschaften von Kollisionsereignissen gemessen, bei denen statt zwei Top-Quarks erzeugt werden die bis zu drei Eigenschaften, die in früheren Analysen gemessen wurden. Diese Eigenschaften hängen von der Top-Quark-Masse ab.
Darüber hinaus führte das Team eine äußerst präzise Kalibrierung der CMS-Daten durch und erlangte ein tiefes Verständnis der verbleibenden experimentellen und theoretischen Unsicherheiten und ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten. Mit dieser innovativen Methode wurden alle diese Unsicherheiten auch während des mathematischen Fits extrahiert, der den endgültigen Wert der Top-Quark-Masse bestimmt, und so konnten einige der Unsicherheiten viel genauer geschätzt werden. Das Ergebnis, 171,77 ± 0,38 GeV, stimmt mit den vorherigen Messungen und der Vorhersage des Standardmodells überein.
Die CMS-Kollaboration hat mit dieser neuen Methode zur Messung der Top-Quark-Masse einen bedeutenden Sprung nach vorne gemacht. Die hochmoderne statistische Behandlung von Unsicherheiten und die Verwendung von mehr Eigenschaften haben die Messung erheblich verbessert. Ein weiterer großer Schritt wird erwartet, wenn der neue Ansatz auf den umfangreicheren Datensatz angewendet wird, der vom CMS-Detektor in den Jahren 2017 und 2018 aufgezeichnet wurde.
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