Präziseste Messung der Masse des W-Bosons weicht vom Standardmodell ab

Nach 10 Jahren Analyse und mehrfacher Validierung haben Forscher des CDF-Kollaborationsprojekts unter der Leitung des Fermi National Accelarator Laboratory (Fermilab) bekannt gegeben, dass sie die genauesten Messungen der Masse des W-Bosons, des Trägers einer der vier fundamentalen physikalischen Wechselwirkungen, durchgeführt haben. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Standardmodell verbessert oder erweitert werden sollte.

Wir kennen die vier grundlegenden physikalischen Wechselwirkungen: Gravitation, schwache, elektromagnetische und starke Wechselwirkung. Das W-Boson ist der Träger der schwachen Wechselwirkung. Anhand von Daten des Collider Detector at Fermilab (CDF) haben die Wissenschaftler des Fermilab die Masse des W-Bosons mit einer Genauigkeit von 0,01 % bestimmt. Die Messung ist doppelt so genau wie zuvor. Nach der Herstellung verwendeten die Wissenschaftler den neuen Wert, um das Standardmodell zu testen.

 Bild Quelle: Pixabay / Quelle

Wir haben eine große Anzahl von Korrekturen und zusätzlichen Überprüfungen vorgenommen. Dabei haben wir unser verbessertes Verständnis des Teilchendetektors selbst sowie Fortschritte im theoretischen und experimentellen Verständnis der Wechselwirkung des W-Bosons mit anderen Teilchen berücksichtigt. Als wir schließlich alle Berechnungen durchführten, stellten wir fest, dass sie von den Vorhersagen des Standardmodells abwichen", sagt Ashutosh V. Kotwal von der Duke University, der die Gruppe leitete, die die Berechnungen durchführte. Er ist einer von 400 Wissenschaftlern, die im Rahmen der CDF-Kooperation zusammenarbeiten.

Die neuen Messungen stimmen in vielen Punkten mit früheren Messungen der W-Boson-Masse überein, weichen aber in einigen Punkten von ihnen ab. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich. Dies sind sehr faszinierende Ergebnisse, die jedoch durch andere Experimente bestätigt werden müssen, um sie vollständig zu erklären, sagt der stellvertretende Direktor des Fermilab, Joe Lykken.

Das W-Boson, ein Träger der schwachen Wechselwirkung, ist unter anderem für die Prozesse verantwortlich, die die Sonne zum Leuchten bringen und die Teilchen zerfallen lassen. Das Fermilab, das den für die Wissenschaft sehr wertvollen Tevatron-Beschleuniger beherbergt, verfügt über eine enorme Menge an Daten, die zwischen 1985 und 2011 gesammelt wurden. Die CDF-Messungen wurden über viele Jahre hinweg durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen waren in den Daten verborgen, die im Detail analysiert werden mussten. Als wir sie endlich bekamen, waren wir erstaunt, sagt der Physiker Chris Hays von der Universität Oxford.

Die Masse des W-Bosons ist etwa 80-mal so groß wie die des Protons und beträgt etwa 80.000 MeV/c2. Jetzt haben Wissenschaftler am Fermilab die Methode präzisiert. Dank ihrer Arbeit wissen wir nun, dass er 80 433 ± 9 MeV/c2 beträgt. Dieses Ergebnis basiert auf Untersuchungen von 4,2 Millionen W-Bosonen, die am Fermilab durchgeführt wurden.

In den letzten 40 Jahren haben Experimente an zahlreichen Beschleunigern die Untersuchung des W-Bosons ermöglicht. Es handelt sich dabei um sehr schwierige und komplexe Messungen, die immer weiter verfeinert werden. Unsere Arbeit hat viele Jahre gedauert. Wir haben die genauesten Messungen durchgeführt, so dass wir zu dem Schluss kommen konnten, dass es eine Diskrepanz zwischen dem gemessenen und dem erwarteten Wert gibt", sagt der Sprecher der CDF-Kollaboration, Giogrio Chiarelli vom italienischen Nationalen Institut für Kernphysik.

Die genaueste Berechnung der Masse des W-Bosons auf der Grundlage des Standardmodells - die auf Messungen der Masse des Top-Quarks und des Higgs-Bosons beruht - ergibt ein Ergebnis von 80 357 ± 6 MeV/c2. Der Unterschied zwischen den theoretischen Berechnungen und den durchgeführten Messungen ist also offensichtlich. Nun sollen die Autoren weiterer Experimente und theoretische Physiker versuchen, sie zu erklären. Wenn der Unterschied zwischen den experimentellen Ergebnissen und den theoretischen Berechnungen auf das Vorhandensein einer neuen Wechselwirkung zurückzuführen ist - und das ist nur eine Möglichkeit -, dann sollten zukünftige Experimente diese aufdecken..