Ein Jahrzehnt der Wissenschaft und Billionen von Kollisionen zeigen, dass das W-Boson massiver ist als erwartet – ein Physiker erklärt, was es bedeutet

„Man kann es schnell machen, man kann es billig machen oder man kann es richtig machen. Wir haben es richtig gemacht.“ Dies waren einige der Eröffnungsworte von David Toback, als der Leiter von Fermilabs Collider Detector die Ergebnisse eines jahrzehntelangen Experiments enthüllte Messen Sie die Masse eines Teilchens, das als W-Boson bekannt ist.

Ich bin ein Physiker für hochenergetische Teilchenund ich bin Teil des Teams von Hunderten von Wissenschaftlern, die den Collider Detector am Fermilab in Illinois – bekannt als CDF – gebaut und betrieben haben.

Nach Billionen von Kollisionen und Jahren der Datensammlung und Zahlenverarbeitung fand das CDF-Team heraus, dass das W-Boson dies getan hat Etwas mehr Masse als erwartet. Obwohl die Diskrepanz winzig ist, werden die Ergebnisse in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben Wissenschaft am 7. April 2022, haben elektrisierte die Welt der Teilchenphysik. Wenn die Messung tatsächlich korrekt ist, ist dies ein weiteres starkes Signal dafür, dass im physikalischen Puzzle, wie das Universum funktioniert, Teile fehlen.

Ein Teilchen, das die schwache Kraft trägt

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist der derzeit beste Rahmen der Wissenschaft für die Grundgesetze des Universums und beschreibt drei Grundkräfte: die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die starke Kraft.

Atomkerne werden durch die starke Kraft zusammengehalten. Bestimmte Kerne sind jedoch instabil und unterliegen einem radioaktiven Zerfall, wobei sie durch Partikelemission langsam Energie freisetzen. Dieser Prozess wird von der schwachen Kraft angetrieben, und Wissenschaftler versuchen seit Anfang des 20. Jahrhunderts herauszufinden, warum und wie Atome zerfallen.

Nach dem Standardmodell werden Kräfte durch Teilchen übertragen. In den 1960er Jahren eine Reihe von Theoretische und experimentelle Durchbrüche schlugen vor, dass die schwache Kraft von Teilchen übertragen wird, die W- und Z-Bosonen genannt werden. Es wurde auch postuliert, dass ein drittes Teilchen, das Higgs-Boson, allen anderen Teilchen – einschließlich W- und Z-Bosonen – Masse verleiht.

Seit dem Aufkommen des Standardmodells in den 1960er Jahren arbeiten sich Wissenschaftler die Liste der vorhergesagten, aber unentdeckten Partikel ab und messen ihre Eigenschaften. 1983 zwei Experimente an CERN in Genf, Schweiz, den ersten Beweis für die Existenz des W-Bosons. Es schien ungefähr die Masse eines mittelgroßen zu haben Atom wie Brom.

In den 2000er Jahren fehlte nur noch ein Teil, um das Standardmodell zu vervollständigen und alles zusammenzufügen: das Higgs-Boson. Ich half bei der Suche nach dem Higgs-Boson bei drei aufeinanderfolgenden Experimenten, und schließlich wir 2012 entdeckt am Large Hadron Collider am CERN.

Das Standardmodell war vollständig, und alle von uns durchgeführten Messungen passten wunderbar zu den Vorhersagen.

Messung von W-Bosonen

Es macht viel Spaß, Teilchen bei wirklich hohen Energien zusammenzuschlagen, um das Standardmodell zu testen. Diese Kollisionen erzeugen für kurze Zeit schwerere Teilchen, bevor sie wieder in leichtere Teilchen zerfallen. Um die Eigenschaften und Wechselwirkungen der bei diesen Kollisionen entstehenden Teilchen zu analysieren, setzen Physiker massive und extrem empfindliche Detektoren an Einrichtungen wie Fermilab und CERN ein.

In CDF werden etwa W-Bosonen produziert einer von 10 Millionen Mal wenn ein Proton und ein Antiproton kollidieren. Antiprotonen sind die Antimaterie-Version von Protonen, mit genau der gleichen Masse, aber entgegengesetzter Ladung. Protonen bestehen aus kleineren Elementarteilchen, die Quarks genannt werden, und Antiprotonen bestehen aus Antiquarks. Das ist die Kollision zwischen Quarks und Antiquarks W-Bosonen erzeugen. W-Bosonen zerfallen so schnell, dass sie nicht direkt gemessen werden können. Physiker verfolgen also die Energie, die bei ihrem Zerfall entsteht, um die Masse der W-Bosonen zu messen.

In den 40 Jahren, seit Wissenschaftler den ersten Nachweis des W-Bosons entdeckten, haben aufeinanderfolgende Experimente immer genauere Messungen seiner Masse ermöglicht. Aber erst seit der Messung des Higgs-Bosons – da es allen anderen Teilchen Masse verleiht – konnten Forscher die gemessene Masse der W-Bosonen mit der vergleichen vom Standardmodell vorhergesagte Masse. Die Vorhersage und die Experimente stimmten immer überein – bis jetzt.

Unerwartet schwer

Der CDF-Detektor von Fermilab eignet sich hervorragend zur genauen Messung von W-Bosonen. Zwischen 2001 und 2011 hat der Beschleuniger Protonen und Antiprotonen millionenfach zerschmettert, Millionen von W-Bosonen erzeugt und bei jeder Kollision so viele Daten wie möglich gesammelt.

2012 berichtete das Fermilab-Team vorläufige Ergebnisse basierend auf einer Teilmenge der Daten. Wir stellten fest, dass die Masse etwas daneben lag, aber nahe an der Vorhersage war. Den gesamten Datensatz analysierten die Forscher dann mühsam ein Jahrzehnt lang. Es wurden zahlreiche interne Gegenkontrollen sowie jahrelange Computersimulationen durchgeführt. Niemand konnte Ergebnisse sehen, bis die gesamte Berechnung abgeschlossen war, um zu vermeiden, dass sich Verzerrungen in die Analyse einschleichen.

Als die Physikwelt am 7. April 2022 endlich das Ergebnis sah, waren wir alle überrascht. Physiker messen Elementarteilchenmassen in Einheiten von Millionen Elektronenvolt – abgekürzt MeV. Die Masse des W-Bosons ergab 80,433 MeV – 70 MeV höher als vom Standardmodell vorhergesagt. Dies mag wie ein winziger Überschuss erscheinen, aber die Messung ist auf 9 MeV genau. Dies ist eine Abweichung von fast dem Achtfachen der Fehlerspanne. Als meine Kollegen und ich das Ergebnis sahen, war unsere Reaktion ein klares „Wow!“

Was das für das Standardmodell bedeutet

Dass die gemessene Masse des W-Bosons nicht mit der im Standardmodell vorhergesagten Masse übereinstimmt, könnte dreierlei bedeuten. Entweder ist die Mathematik falsch, die Messung ist falsch oder etwas fehlt im Standardmodell.

Zuerst die Mathematik. Um die Masse des W-Bosons zu berechnen, verwenden Physiker die Masse des Higgs-Bosons. CERN-Experimente haben es den Physikern ermöglicht Messen Sie die Masse des Higgs-Bosons auf ein Viertel Prozent. Darüber hinaus wurden theoretische Physiker arbeitet seit Jahrzehnten an den W-Boson-Massenberechnungen. Während die Mathematik ausgefeilt ist, ist die Vorhersage solide und wird sich wahrscheinlich nicht ändern.

Die nächste Möglichkeit ist ein Fehler im Experiment oder in der Analyse. Physiker auf der ganzen Welt überprüfen bereits das Ergebnis, um zu versuchen, Löcher darin zu stechen. Darüber hinaus könnten zukünftige Experimente am CERN schließlich zu einem genaueren Ergebnis führen, das die Fermilab-Masse entweder bestätigen oder widerlegen wird. Aber meiner Meinung nach ist das Experiment eine so gute Messung, wie es derzeit möglich ist.

Damit bleibt die letzte Option: Es gibt unerklärliche Teilchen oder Kräfte, die die Aufwärtsverschiebung der Masse des W-Bosons verursachen. Schon vor dieser Messung hatten einige Theoretiker vorgeschlagene potenzielle neue Teilchen oder Kräfte das würde zu der beobachteten Abweichung führen. In den kommenden Monaten und Jahren erwarte ich eine Reihe neuer Arbeiten, die versuchen, die rätselhafte Masse der W-Bosonen zu erklären.

Als Teilchenphysiker bin ich zuversichtlich zu sagen, dass es mehr Physik geben muss, die darauf wartet, jenseits des Standardmodells entdeckt zu werden. Wenn dieses neue Ergebnis Bestand hat, wird es das neueste in einer Reihe von Erkenntnissen sein, die zeigen, dass das Standardmodell und reale Messungen häufig verwendet werden passen nicht ganz zusammen. Es sind diese Mysterien, die Physikern neue Hinweise und neue Gründe geben, um weiter nach einem umfassenderen Verständnis von Materie, Energie, Raum und Zeit zu suchen.

Geschrieben von John Conway, Professor für Physik, University of California, Davis.

Dieser Artikel erschien zuerst in Die Unterhaltung.