Das W-Boson, ein fundamentales Teilchen, das die geladene schwache Kraft trägt, ist Gegenstand einer neuen Präzisionsmessung seiner Masse durch das ATLAS-Experiment am CERN.
Das vorläufige Ergebnis, berichtet in einem neuen Konferenznotiz präsentiert heute auf der Rencontres de Moriond Konferenz, basiert auf einer erneuten Analyse einer Probe von 14 Millionen W-Bosonkandidaten, die bei Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC), dem Flaggschiff-Teilchenbeschleuniger des CERN, produziert wurden.
Die neue ATLAS-Messung stimmt mit allen früheren W-Massenmessungen überein und ist präziser als diese, mit Ausnahme einer – der neuesten Messung des CDF-Experiments am Tevatron, einem ehemaligen Beschleuniger am Fermilab.
Zusammen mit seinem elektrisch neutralen Gegenstück, dem Z-Boson, vermittelt das elektrisch geladene W-Boson die schwache Kraft, eine fundamentale Kraft, die für eine Form von Radioaktivität verantwortlich ist und die Kernfusionsreaktion initiiert, die die Sonne antreibt.
Die Entdeckung des Teilchens am CERN vor 40 Jahren trug dazu bei, die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung zu bestätigen, die elektromagnetische und schwache Kräfte vereint. Diese Theorie ist heute ein Eckpfeiler des Standardmodells der Teilchenphysik. CERN-Forscher, die diese Entdeckung ermöglichten, wurden 1984 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Seitdem haben Experimente an Teilchenbeschleunigern am CERN und anderswo die Masse des W-Bosons immer genauer gemessen. Im Standardmodell hängt die Masse des W-Bosons eng mit der Stärke der elektroschwachen Wechselwirkungen und den Massen der schwersten Elementarteilchen zusammen, darunter das Z-Boson, das Top-Quark und das Higgs-Boson. In dieser Theorie ist das Teilchen gezwungen, 80354 Millionen Elektronenvolt (MeV) zu wiegen, innerhalb einer Unsicherheit von 7 MeV.
Jede Abweichung der gemessenen Masse von der Vorhersage des Standardmodells wäre ein Indikator für neue physikalische Phänomene wie neue Teilchen oder Wechselwirkungen. Um auf solche Abweichungen empfindlich reagieren zu können, müssen Massenmessungen extrem genau sein.
Im Jahr 2017 veröffentlichte ATLAS seine erste Messung der W-Bosonenmasse, die anhand einer Stichprobe von W-Bosonen bestimmt wurde, die 2011 von ATLAS aufgezeichnet wurde, als der LHC mit einer Kollisionsenergie von 7 TeV lief. Die Masse des W-Bosons lag bei 80370 MeV mit einer Unsicherheit von 19 MeV.
Dieses Ergebnis stellte damals den genauesten W-Boson-Massenwert dar, der jemals mit einem einzigen Experiment erhalten wurde, und stimmte gut mit der Vorhersage des Standardmodells und allen früheren experimentellen Ergebnissen überein, einschließlich denen aus Experimenten am Large Electron-Positron Collider (LEP ), dem Vorgänger des LHC am CERN.
Im vergangenen Jahr kündigte die CDF-Kollaboration bei Fermilab eine noch präzisere Messung an, die auf einer Analyse ihres gesamten am Tevatron gesammelten Datensatzes basiert. Das Ergebnis, 80434 MeV mit einer Unsicherheit von 9 MeV, unterschied sich signifikant von der Vorhersage des Standardmodells und von den anderen experimentellen Ergebnissen, was weitere Messungen erforderte, um zu versuchen, die Ursache der Differenz zu identifizieren.
In seiner neuen Studie hat ATLAS seine Stichprobe von W-Bosonen aus dem Jahr 2011 erneut analysiert und damit die Genauigkeit seiner vorherigen Messung verbessert. Die neue W-Boson-Masse, 80360 MeV mit einer Unsicherheit von 16 MeV, ist 10 MeV niedriger als das vorherige ATLAS-Ergebnis und 16 % genauer. Das Ergebnis stimmt mit dem Standardmodell überein.
Um dieses Ergebnis zu erzielen, verwendete ATLAS eine fortschrittliche Datenanpassungstechnik zur Bestimmung der Masse sowie neuere, verbesserte Versionen der sogenannten Parton-Verteilungsfunktionen des Protons. Diese Funktionen beschreiben die Aufteilung des Impulses des Protons unter seinen Bestandteilen Quarks und Gluonen. Darüber hinaus verifizierte ATLAS die theoretische Beschreibung des W-Boson-Produktionsprozesses unter Verwendung dedizierter LHC-Proton-Proton-Läufe.
„Aufgrund eines unentdeckten Neutrinos im Zerfall des Teilchens gehört die W-Massenmessung zu den anspruchsvollsten Präzisionsmessungen, die an Hadronenbeschleunigern durchgeführt werden. Sie erfordert eine äußerst genaue Kalibrierung der gemessenen Teilchenenergien und -impulse sowie eine sorgfältige Bewertung und hervorragende Kontrolle der Modellierungsunsicherheiten “, sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Dieses aktualisierte Ergebnis von ATLAS bietet einen strengen Test und bestätigt die Konsistenz unseres theoretischen Verständnisses von elektroschwachen Wechselwirkungen.“
Weitere Messungen der W-Boson-Masse werden von ATLAS und CMS sowie von LHCb erwartet, das ebenfalls kürzlich durchgeführt wurde gewogen das Boson.