Das ATLAS-Experiment zeichnete mit hoher Genauigkeit einen seltenen Kollisionsprozess zweier Photonen mit der Erzeugung eines Trägerpaares der schwachen Wechselwirkung von W-Bosonen auf. Dieses Ergebnis, das nach der Analyse der in den Jahren 2015-2018 gesammelten Daten erzielt wurde, ermöglicht es, den LHC als Quelle hochenergetischer Photonen für die direkte Untersuchung der elektroschwachen Wechselwirkung zu verwenden. Der entdeckte Prozess bestätigt experimentell die Vorhersagen der elektroschwachen Theorie und bietet Forschern neue Möglichkeiten, dieses Phänomen zu untersuchen. Physiker von ATLAS gaben das Ergebnis auf der letzten Online-Konferenz ICHEP bekannt, der Bericht ist auf der Website des Experiments verfügbar.
In der Schule lehren sie, dass zwei Lichtstrahlen nicht miteinander interagieren können. Dies gilt für die klassische Elektrodynamik, aber das Standardmodell macht diesbezüglich ganz andere Vorhersagen. Im Rahmen dieser in der Elementarteilchenphysik bereits klassischen Theorie können Photonen - Lichtquanten und Träger elektromagnetischer Wechselwirkung - aneinander streuen und bei direkter Kollision sogar neue Teilchen entstehen lassen. Physiker am Large Hadron Collider haben ähnliche Phänomene wiederholt beobachtet. Im Jahr 2017 sah ATLAS beispielsweise den Prozess der Wechselwirkung zweier Photonen mit der Erzeugung zweier anderer Photonen – ein Effekt, der im Rahmen der Quantenelektrodynamik seit langem vorhergesagt wurde.
Diesmal entdeckten Wissenschaftler jedoch einen deutlich komplexeren Prozess der Kollision zweier Photonen mit der Entstehung von zwei W-Bosonen. Die W-Bosonen selbst sind Träger der schwachen Wechselwirkung – einer der vier existierenden Wechselwirkungen neben den elektromagnetischen, starken und gravitativen. Nach der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, die Teil des Standardmodells ist, können Photonen und W-Bosonen nicht nur mit der umgebenden Materie, sondern auch miteinander wechselwirken. Zuvor berichtete ATLAS bereits über den Nachweis dieses Prozesses in Daten aus der ersten Saison des Large Hadron Collider, aber dann erreichten die Experimentatoren keine ausreichende statistische Genauigkeit, um die Entdeckung zu bestätigen.
Diagramme, die die Kollision zweier Photonen mit der Produktion von zwei W-Bosonen beschreiben. Links entstehen Photonen in elastischen Prozessen, in der Mitte entsteht eines der Photonen beim Zerfall oder Zusammenstoß eines Protons, rechts entstehen beide Photonen in unelastischen Prozessen.
Die für 2015-2018 gesammelten Daten zu Proton-Proton-Kollisionen mit einer Energie von 13 Teraelektronenvolt im Massenschwerpunktsystem ermöglichten es Wissenschaftlern nun, die Entdeckung der Entdeckung legitim zu bestätigen. Nach wie vor verfolgten Physiker die Kollision zweier Photonen mit der Entstehung zweier W-Bosonen durch deren Zerfallsprodukte, denn die W-Bosonen selbst leben nur etwa 3 × 10-25 Sekunden. Die Forscher suchten nach einem Elektron und einem Myon mit entgegengesetzten Vorzeichen, die bei solchen Zerfällen entstehen. Auch bei diesem Prozess werden Neutrinos geboren, die Experimentatoren jedoch nicht registrieren können, was bedeutet, dass die Anwesenheit dieser leichtesten Teilchen aus den Impulsen der verbleibenden Zerfallsprodukte wiederhergestellt werden musste. Die Auswahl der Ereignisse wurde dadurch erschwert, dass W-Bosonen um ein Vielfaches häufiger bei den Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen entstehen. Physiker haben diese Prozesse herausgefiltert, indem sie den Spuren aller an dem Ereignis beteiligten Teilchen folgten und nur Zerfälle mit einem Elektron und einem Myon auswählten.
Als Ergebnis gelang es den Physikern, eine statistische Genauigkeit von 8, 4 zu erreichen, die weit über die für die offizielle Entdeckung erforderlichen 5 hinausging. Den Wissenschaftlern gelang es auch, den Wirkungsquerschnitt für die beobachtete Kollision von Photonen mit der Produktion von W-Bosonen zu berechnen, der 3,33 ± 0,59 Femtobarn betrug. In Zukunft können Forscher diesen Wert nutzen, um solche Prozesse zu modellieren und zu studieren.
Ein wichtiges Ergebnis der Arbeit von ATLAS ist, dass die Experimentatoren die Möglichkeit bestätigt haben, den Large Hadron Collider als Quelle für Kollisionen hochenergetischer Photonen zu verwenden. Das ist wirklich überraschend, denn die starke Wechselwirkung dominiert die Kollisionen der vom Collider beschleunigten Materie. Die Entdeckung einer neuen Methode zur Untersuchung der elektroschwachen Wechselwirkung am LHC könnte den Weg für neue Studien zur Erprobung des Standardmodells und die Suche nach neuer Physik ebnen, die mit der Zunahme der gesammelten Datenmengen immer realer werden. Dabei soll den Wissenschaftlern die laufende Modernisierung des Large Hadron Colliders helfen, die die Leuchtkraft der Anlage erhöhen soll.
Über noch mehr langfristige Pläne des CERN können Sie in unserem Material „100 TeV für die Zukunft“nachlesen. Wir haben über andere Fortschritte in der Beschleunigerphysik, die auf der aktuellen ICHEP-2020-Konferenz in den Nachrichten vorgestellt wurden, über die Entdeckung eines seltenen Zerfalls des Higgs-Bosons und die Beschränkung der Neuen Physik auf den Zerfall des K-Mesons geschrieben.
