Die Masse des höchsten Bosons W bezieht sich auf die Löcher im Schild des Standardmodells

Die Standardmodell der Teilchenphysik Es hat über viele Jahrzehnte strengen Tests nach Tests standgehalten Entdeckung des Higgs-Bosons 2012 lieferte sie das letzte beobachtende Puzzleteil. Aber das hat die Physiker nicht davon abgehalten, beharrlich nach neuer Physik zu suchen, die über das hinausgeht, was das Modell vorhersagt. Tatsächlich wissen wir, dass das Modell unvollständig sein muss, da es die Schwerkraft nicht berücksichtigt und die Existenz dunkler Materie im Universum nicht erklärt. Es kann auch nicht die beschleunigte Expansionsrate des Universums erklären, die viele Physiker der dunklen Energie zuschreiben.

Der neueste Hinweis darauf, dass das Standardmodell möglicherweise überarbeitet werden muss, stammt von einer neuen genauen Messung des W-Bosons durch die CDF II-Kollaboration von Fermilab. Diese Messung ergab eine statistisch signifikant höhere Masse für das W-Boson als das Standardmodell vorhergesagt hatte – innerhalb von sieben Standardabweichungen, gemäß neues Papier Veröffentlicht in der Zeitschrift Science. Es widerspricht auch früheren Präzisionsmessungen der W-Boson-Masse.

„Der überraschend hohe Wert der W-Boson-Masse, der von der CDF-Kollaboration gemeldet wurde, stellt direkt ein grundlegendes Element im Herzen des Standardmodells in Frage, in dem sowohl experimentelle Beobachtungen als auch theoretische Vorhersagen als gut etabliert und verstanden galten“, schrieb er am University of California, Santa Barbara. ) und Martin Mulders (CERN) begleitende Perspektive. „Die Entdeckung … bietet eine aufregende neue Perspektive auf das aktuelle Verständnis der grundlegenden Strukturen von Materie und Kräften im Universum.“

Allerdings waren Physiker schon einmal hier: verblüfft von Hinweisen auf aufregende neue Physik, nur um ihre Hoffnungen zunichte zu machen, wenn mehr Beweise auftauchen. Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise, und dies ist sicherlich eine außergewöhnliche Behauptung. „Wenn das stimmt, ist es wichtig, weil das Standardmodell falsch wäre“, sagte Clifford Cheung, Physiker am California Institute of Technology, gegenüber Ars. „Aber die offensichtlichen Meinungsverschiedenheiten in den Gerichtsverfahren erfordern äußerste Vorsicht.“

Das Standardmodell beschreibt die Grundbausteine ​​des Universums und wie sich Materie entwickelt hat. Diese Blöcke können in zwei grundlegende Gruppen unterteilt werden: Fermionen und Bosonen. Fermionen machen die gesamte Materie im Universum aus, einschließlich Leptonen und Quarks. Leptonen sind Teilchen, die nicht am Zusammenhalt des Atomkerns beteiligt sind, wie Elektronen und Neutrinos. Ihre Aufgabe ist es, Materie durch Kernzerfall in andere Teilchen und chemische Elemente umzuwandeln, indem sie die schwache Kernkraft nutzen. Quarks bilden den Atomkern.

Bosonen sind die Bindungen, die andere Teilchen zusammenhalten. Bosonen bewegen sich von einem Teilchen zum anderen, und dies führt zur Entstehung von Kräften. Es gibt vier kraftbezogene Messbosonen. Das Gluon ist mit der starken Kernkraft verwandt: Es „klebt“ die Kerne eines Atoms zusammen. Das Photon trägt die elektromagnetische Kraft, die Licht erscheinen lässt. Die W- und Z-Bosonen tragen die schwache Kernkraft und führen zu unterschiedlichen Arten des Kernzerfalls. Dann gibt es das Higgs-Boson, das eine Manifestation des Higgs-Feldes ist. Das Higgs-Feld ist eine unsichtbare Einheit, die das Universum durchdringt. Wechselwirkungen zwischen dem Higgs-Feld und Partikeln tragen dazu bei, den Partikeln Masse zu verleihen, wobei Partikel stärker interagieren und größere Massen haben.

Das W-Boson ist ein grundlegender Baustein des Standardmodells, und die Verbesserung der Messungen seiner Masse hilft den Physikern, das Standardmodell weiter zu verbessern und zu testen. Aber es ist eine schwierige Messung. Als Wissenschaftsredakteur Ars John Timmer 2012 erwähnt:

[The W boson] ich war erste Entdeckung in den 1980er Jahren am SPS-Beschleuniger des CERN, der heute Teil von CERN ist Beschleunigerkette, die den LHC speist. Seitdem haben mehrere Beschleuniger genügend W erzeugt, um eine Schätzung ihrer Masse zu liefern, die alle über 80 GeV liegen, im Fehlerbereich von etwa 100 MeV …

Da wir die W-Bosonen mit den Geräten nicht direkt nachweisen können, mussten die Forscher die Masse und Energie addieren, die beim Zerfall freigesetzt werden. Dazu gehören die von jedem Photon getragene Energie, die Masse und der Impuls des Teilchens sowie Schätzungen der Energie, die von sich schnell bewegenden Neutrinos weggetragen wird, die Detektoren spurlos passieren. Die verbleibenden Fehler bei der Massenschätzung stammen von Unsicherheiten in diesen verschiedenen Prozessen.

Das CDF-II-Team durchkämmte 10 Jahre lang aufgezeichnete Daten, die sich auf etwa 4 Millionen W-Bosonenfilterereignisse beliefen, und kam auf eine Masse von 80,433 GeV, ±0,9,4. Dies steht im Gegensatz zu früheren Messungen der Masse des W-Bosons, einschließlich der Messungen von CDF II im Jahr 2012 (80.387 GeV, ± 0,02) und des Atlas am CERN. im Jahr 2018 (80,370 GeV, ±19).

„Es ist ein rätselhaftes Ergebnis, da es nicht nur in großer Spannung zum Standardmodell steht – was an sich nicht so schlimm wäre, wie es vermuten lässt. [new] Die Suche nach Physik wird wahrscheinlich vom Large Hadron Collider durchgeführt – aber auch etwas in Spannung zu früheren Messungen, sagte Caltech-Physiker Michel Babuchi gegenüber Ars.