Einer der Ringmagneten des ATLAS-Detektors
Das ATLAS-Team nutzte Daten, die 2011 bei Kollisionen von Protonenstrahlen am Large Hadron Collider gesammelt wurden, um die Masse der Vektor-W-Bosonen zu verfeinern, die als Träger der schwachen Wechselwirkung dienen. Der von Wissenschaftlern gefundene Wert der Masse beträgt ungefähr 80370 ± 19 Megaelektronenvolt. Der Artikel wurde im European Physical Journal C veröffentlicht.
Schwache Wechselwirkungen sind eine von vier grundlegenden Wechselwirkungen und eine von drei Wechselwirkungen im Standardmodell. Die Träger der schwachen Wechselwirkung sind Vektorbosonen - das neutrale Boson Z0 und geladene W + und W−. Alle drei Teilchen sind Eichbosonen derselben SU (2)-Gruppe und sollten masselos sein, aber aufgrund des Higgs-Mechanismus (spontane Symmetriebrechung) Masse erhalten. Aus diesem Grund erweist sich der Radius der schwachen Wechselwirkung als stark begrenzt - die Masse der Bosonen beträgt ungefähr 80-90 GeV, was einem Abschirmradius von etwa 10-18 Zentimetern entspricht. Die Bosonen W und Z wurden erstmals 1983 am SPS-Beschleuniger am CERN experimentell entdeckt. Das theoretische Modell der schwachen Wechselwirkung (das Glashow-Weinberg-Salam-Modell) wurde Ende der 60er Jahre entwickelt und ist heute Teil des Standardmodells der Elementarteilchen.
In der untersten Ordnung der Störungstheorie kann die Masse des W-Bosons durch die Masse des Z-Bosons, die Feinstrukturkonstante und die Fermi-Konstante ausgedrückt werden, und die Massen der positiven und negativen Bosonen müssen übereinstimmen. Korrekturen höherer Ordnung beginnen jedoch, von anderen Eichkonstanten des Standardmodells sowie von der Masse schwererer Teilchen wie dem t-Quark oder dem Higgs-Boson abzuhängen. Momentan werden die Massen all dieser Teilchen relativ ungenau gemessen (mit einem Fehler von bis zu 0,4 Prozent), was Platz für erweiterte Theorien lässt, die Unterschiede in der Masse des W-Bosons aus den Berechnungen des Standardmodells vorhersagen. Der aktuelle experimentelle Massenwert, der durch Kombinieren der Ergebnisse verschiedener Arbeiten erhalten wird, beträgt ungefähr mW = 80385 ± 15 Megaelektronenvolt, und die theoretische Vorhersage des Standardmodells beträgt ungefähr mW = 80360 ± 8 Megaelektronenvolt. Daher sind neue Experimente erforderlich, die den Wert der Masse klären und mit Theorien in Einklang bringen (oder auf die Existenz einer "neuen Physik" hinweisen).
In einem neuen Artikel berichtet die ATLAS-Kollaboration über die Messung der Masse von W-Bosonen, die 2011 bei Kollisionen von Protonenstrahlen am Large Hadron Collider gebildet und vom ATLAS-Detektor aufgezeichnet wurden. Die Energie der Protonen im Massenmittelpunkt betrug etwa sieben Gigaelektronenvolt, die Gesamtleuchtkraft des Colliders erreichte während des Experiments 4,6 Reverse Femtobarn. Was Leuchtkraft ist, können Sie hier nachlesen (grob gesagt beschreibt dieser Wert die Anzahl der Kollisionen von Teilchen). Zuvor kalibrierten Wissenschaftler den Detektor für den Zerfall des Z-Bosons in zwei Leptonen mit einem relativ genau gemessenen Wert der Bosonmasse (ein Fehler von etwa 2 Megaelektronenvolt).
Um die Masse von Teilchen abzuschätzen, nutzten die Wissenschaftler die sogenannten Drell-Yan-Prozesse, bei denen das W-Boson in ein Lepton (Myon bzw. Elektron) und ein Neutrino (Myon bzw. Elektron) zerfällt. Jeder dieser Prozesse tritt mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa zehn Prozent auf; Während des Experiments haben Physiker etwa 7,8 × 106 Kandidaten für den Zerfall W → μ νμ und etwa 5,9 × 106 Kandidaten für W → e νe registriert. Dies ist etwa eine Größenordnung größer als die Zahl der Zerfälle, die in früheren Experimenten aufgezeichnet wurden.
Tatsächlich haben Wissenschaftler im Experiment den Wirkungsquerschnitt solcher Prozesse gemessen und untersucht, wie er von den Transversalimpulsen von Leptonen und der transversalen Masse von W-Bosonen abhängt. Anschließend "justierten" Physiker die Masse der W-Bosonen, damit das theoretische Modell die experimentellen Daten bestmöglich erklärt. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass die Massen der positiven und negativen W-Bosonen ungefähr gleich sind – genauer gesagt, sie können sich um nicht mehr als Δm = mW + - mW− = −29 ± 28 Megaelektronenvolt unterscheiden. Daher kombinierten die Wissenschaftler die Daten zur Messung der Masse beider Bosonen und erhielten den Wert mW = 80370 ± 7 ± 11 ± 14 = 80370 ± 19 Megaelektronenvolt. Hier ist der erste Fehler auf Fehler beim "Anpassen" der Theorie an das Experiment zurückzuführen, der zweite - auf den systematischen Fehler des Experiments und der dritte - auf die Ungenauigkeit der Theorie (d es).
Ergebnisse verschiedener Experimente zur Messung der Masse von W-Bosonen. ATLAS-Experiment erreicht drei niedrigere Werte
Mehr Details zur Suche nach neuen Teilchen am Large Hadron Collider finden Sie in der Sammlung "Zweite Saison des Colliders". Das Material "The Mine of Zeros and Ones" beispielsweise erzählt, wie Wissenschaftler in der riesigen Anzahl von Prozessen, die der Detektor registriert, nach den notwendigen Zerfällen suchen, und das Material "Allow to Depart" enthält eine Liste von Abweichungen vom Standardmodell, die Wissenschaftler haben es am Large Collider gefunden.
