Vergleich der relativen Zerfallsrate des W-Bosons in Leptonen der dritten und zweiten Generation mit der theoretischen Vorhersage des Standardmodells
Physiker haben den Zerfall von W-Bosonen am ATLAS-Detektor des Large Hadron Collider verfolgt und die Geschwindigkeiten verglichen, mit denen Taonen und Myonen dabei entstehen. Es stellte sich heraus, dass beide Teilchen innerhalb des Messfehlers gleichermaßen gebildet werden - dies stimmt mit dem Axiom des Standardmodells über die Leptonenuniversalität überein und beseitigt die Diskrepanz mit der theoretischen Vorhersage, die in einer ähnlichen Analyse vor acht Jahren beobachtet wurde. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Im Standardmodell sind Leptonen fundamentale Teilchen mit halbzahligem Spin, die nicht an starken Wechselwirkungen teilnehmen. Bei den Leptonen werden drei Generationen unterschieden, die jeweils aus einem elektrisch geladenen Teilchen und seinem neutralen Partner, einem Neutrino, bestehen. Ein Elektron gehört zusammen mit seiner Neutrinoart zur ersten Generation, zur zweiten - einem massereicheren Myon, zur dritten - einem noch schwereren Taon.
Nach aktuellen Konzepten findet eine Leptonen-Universalität statt - jede der Generationen von Teilchen nimmt nach dem gleichen Mechanismus an elektroschwachen Wechselwirkungen teil, dh aus der Sicht dieser Prozesse ist die nächste Generation von Leptonen eine gewichtete Kopie der vorherigen eins.
Eine bequeme Möglichkeit, diese Aussage zu testen, besteht darin, den Zerfall von W-Bosonen zu beobachten – elektrisch geladene und massive Träger schwacher Wechselwirkungen. Gilt das Postulat des Standardmodells zur Leptonenuniversalität, dann zerfällt das W-Boson mit nahezu gleicher Wahrscheinlichkeit (mit kleinen Korrekturen durch unterschiedliche Massen an Zerfallsprodukten) in jedes der drei Leptonenpaare - das bedeutet die Gleichheit der Produktionsraten von Elektronen, Myonen und Taonen zusammen mit ihren Neutrinos (oder den entsprechenden Antiteilchen, abhängig von der Ladung der W-Bosonen).
Für Elektronen und Myonen wurden diese Raten bereits in den LEP-, LHCb- und ATLAS-Experimenten verglichen – das experimentelle Ergebnis stimmte mit einer Genauigkeit von einem Prozent mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. In dem bis vor kurzem genauesten Experiment unter Beteiligung von Taonen wurden diese Teilchen jedoch im Vergleich zu Myonen mehr als erwartet aufgezeichnet - dann überstieg die Abweichung vom theoretischen Wert den Standardfehler der Messungen. Darüber hinaus berichten neuere Arbeiten Hinweise auf eine Verletzung der Leptonen-Universalität für Elektronen und Myonen auf einem Signifikanzniveau von bis zu drei Standardabweichungen.
Physiker der ATLAS-Kollaboration unter Beteiligung von Andreas Hoecker vom CERN haben die Produktionsraten von Myonen und Taonen beim W-Boson-Zerfall am gleichnamigen Detektor des Large Hadron Collider bestimmt. Für die Analyse nutzten sie Daten von Proton-Proton-Kollisionen mit einer Energie von 13 Teraelektronenvolt im Schwerpunktsystem, die der Detektor von 2015 bis 2018 sammelte.
Der Signalprozess war die Erzeugung von Paaren aus einem t-Quark und seinem Antiquark, die dann in W-Bosonen und b-Quarks zerfallen. Die W-Bosonen wiederum zerfielen in Myonen und Taonen, zusammen mit dem entsprechenden Neutrinotyp. Schwere Taonen jedoch, die keine Zeit hatten, den Detektor zu erreichen, zerfielen ebenfalls in ein leichteres Myon und Neutrino. Somit registrierte der Detektor zwei Arten von Signalmyonen: primäre - dh diejenigen, die beim Zerfall des W-Bosons geboren wurden, und sekundär - die beim Zerfall des Taons geboren wurden.
Aufgrund von Sekundärmyonen maß der Detektor im Durchschnitt einen kleineren transversalen (in Bezug auf die Detektorachse) Impuls von Teilchen, als wenn nur primäre darunter wären - zusammen mit der Modellierung von Hintergrundprozessen ermöglichte dies den Forschern, die Registrierungsfrequenz von primäre und sekundäre Myonen und darauf aufbauend die Zerfallswahrscheinlichkeiten des W-Bosons in die zweite und dritte Generation von Leptonen zu vergleichen.
Unter Berücksichtigung der systematischen und statistischen Analysefehler betrug die relative Produktionsrate von Taonen im Vergleich zu Myonen 0, 992 ± 0, 013 - innerhalb der Fehlergrenzen stimmt dies mit der Vorhersage des Standardmodells überein, wonach dies Der Wert sollte mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Zehntausendstel gleich Eins sein.
Die Autoren stellen fest, dass die Analyse es ermöglichte, nicht nur die bisher beobachtete Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment aufzulösen und die Leptonenuniversalität für ältere Generationen von Leptonen in dieser Zerfallsart zu bestätigen, sondern auch die Messgenauigkeit im Vergleich zu früheren etwa zu verdoppeln funktioniert.
Von der Redaktion
In der Originalversion der Notiz wurde berichtet, dass die Studie in Nature veröffentlicht wurde. Tatsächlich wurde der Artikel in Nature Physics veröffentlicht.
Zuvor haben wir darüber gesprochen, wie die Universalität von Leptonen durch die Beobachtung von B-Meson-Zerfällen in Frage gestellt wurde und wie die Anomalie im magnetischen Moment des Myons mit einer Signifikanz von 4, 2σ gemessen wurde.
