Neue Ergebnisse des CMS-Experiments geben dem Rätsel um die Masse des W-Bosons ein Ende

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

Diese neue Messung, eine Premiere für das CMS-Experiment, nutzt eine neue Technik, die sie zur bislang ausgefeiltesten Untersuchung der Masse des W-Bosons macht. Nach fast einem Jahrzehnt der Analyse hat CMS herausgefunden, dass die Masse des W-Bosons mit den Vorhersagen übereinstimmt, und hat damit endlich einem jahrelangen Rätsel ein Ende gesetzt.

Für die endgültige Analyse wurden 300 Millionen Ereignisse, die während des LHC-Laufs 2016 gesammelt wurden, und 4 Milliarden simulierte Ereignisse herangezogen. 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, die die theoretischen Hypothesen überprüfte.

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

„Wir haben viel aus CDF und den anderen Experimenten gelernt, die sich mit der Frage der Masse des W-Bosons befasst haben. Wir bauen darauf auf, und das ist einer der Gründe, warum wir mit dieser Studie deutlich vorankommen können.“ . »

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

Das W-Boson ist einer der Eckpfeiler des Standardmodells, des theoretischen Rahmens, der die Natur auf ihrer grundlegendsten Ebene beschreibt. Ein genaues Verständnis der Masse des W-Bosons ermöglicht es Wissenschaftlern, die Wechselwirkung von Teilchen und Kräften abzubilden, einschließlich der Stärke des Higgs-Feldes und der Fusion 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 Masse von W 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 zwischen 3,9996 und 4,0004 Zoll. Doch im Gegensatz zu Bleistiften ist das W-Boson ein Elementarteilchen ohne physikalisches Volumen und dessen Masse geringer ist als die eines einzelnen Silberatoms.

„Diese Maßnahme ist äußerst schwer zu erreichen“, fügte Canepa hinzu. „Wir benötigen mehrere Messungen aus mehreren Experimenten, um den Wert zu überprüfen. »

Das CMS-Experiment unterscheidet sich von anderen Experimenten, die diese Messung durchgeführt haben, durch sein kompaktes Design, spezielle Sensoren für fundamentale Teilchen, sogenannte Myonen, und einen extrem leistungsstarken Magnetmagneten, der die Flugbahnen geladener Teilchen krümmt, wenn sie sich im Detektor bewegen.

„Das Design des CMS macht es besonders für präzise Massenmessungen geeignet“, sagte McBride. „Es ist ein Erlebnis der nächsten Generation. »

Die meisten Elementarteilchen sind extrem kurzlebig. Daher messen Wissenschaftler ihre Masse, indem sie die Massen und Momente von allem, was zerfällt, addieren. Diese Methode eignet sich gut für Teilchen wie das Z-Boson, einen Cousin des W-Bosons, das in zwei Myonen zerfällt. Doch das W-Boson stellt eine große Herausforderung dar, denn eines seiner Zerfallsprodukte ist ein winziges Elementarteilchen namens Neutrino.

„Neutrinos sind bekanntermaßen schwer zu messen“, sagte Josh Bendavid, ein Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology, der an dieser Analyse gearbeitet hat. „Bei Collider-Experimenten wird das Neutrino nicht nachgewiesen, daher können wir nur mit der Hälfte des Bildes arbeiten. »

Wenn man nur mit der Hälfte des Bildes arbeitet, müssen Physiker kreativ werden. Bevor die Analyse realer experimenteller Daten durchgeführt wurde, 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 wir uns um kleine Drehungen und Biegungen kümmern, selbst wenn sie nur die Breite eines menschlichen Haares haben. »

Physiker benötigen auch viele theoretische Informationen, etwa darüber, was im Inneren von Protonen passiert, wenn sie kollidieren, wie das W-Boson entsteht und wie es sich bewegt, bevor es zerfällt.

„Es ist eine echte Kunst, die Auswirkungen theoretischer Beiträge zu verstehen“, sagte McBride.

In der Vergangenheit verwendeten Physiker das Z-Boson als Ersatz für das W-Boson, um ihre theoretischen Modelle zu kalibrieren. Obwohl diese Methode viele Vorteile bietet, fügt sie dem Prozess auch eine gewisse Unsicherheit hinzu.

„Die Z- und W-Bosonen sind Brüder, aber keine Zwillinge“, sagte Elisabetta Manca, Forscherin an der University of California in Los Angeles und eine der Analysten. „Physiker müssen bei der Extrapolation von Z nach W einige Annahmen treffen, und diese Annahmen werden noch diskutiert. »

Um diese Unsicherheit zu verringern, haben CMS-Forscher eine neue Analysetechnik entwickelt, die nur reale W-Boson-Daten verwendet, um die theoretischen Eingaben einzuschränken.

„Wir konnten dies effektiv durch die Kombination eines größeren Datensatzes, der Erfahrungen aus einer früheren Untersuchung des W-Bosons und der neuesten theoretischen Entwicklungen erreichen“, sagte Bendavid. „Dadurch konnten wir uns vom Z-Boson als Referenzpunkt befreien. »

Im Rahmen dieser Analyse untersuchten sie auch 100 Millionen Spuren aus dem Zerfall bekannter Teilchen, um einen riesigen Abschnitt des CMS-Detektors neu zu kalibrieren, bis er eine Größenordnung genauer war.

„Dieses neue Maß an Präzision wird es uns ermöglichen, kritische Messungen, beispielsweise solche mit W-, Z- und Higgs-Bosonen, mit erhöhter Präzision anzugehen“, sagte Manca.

Der schwierigste Teil der Analyse war ihr beträchtlicher Zeitaufwand, da sie die Entwicklung einer neuen Analysetechnik und die Entwicklung eines unglaublich tiefgreifenden Verständnisses des CMS-Detektors erforderte.

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