Die genaueste jemals gemessene Masse des W-Bosons unterscheidet sich von der Vorhersage des Standardmodells

Die bisher genaueste Messung der Masse des W-Bosons zeigt die Spannung mit dem Standardmodell.

Nach 10 Jahren sorgfältiger Analyse und Prüfung gaben CDF-Wissenschaftler des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums am 7. April 2022 bekannt, dass sie die bisher genaueste Messung der Masse des W-Bosons, einer der Kraftkräfte der Natur, erreicht haben. Partikel tragen. Unter Verwendung von Daten, die vom Collider Detector (CDF) von Fermilab gesammelt wurden, haben Wissenschaftler nun die Masse des Partikels mit einer Genauigkeit von 0,01 % bestimmt – doppelt so genau wie die vorherige beste Messung. Entspricht einem Gorilla mit einem Gewicht von 800 Pfund bis 1,5 Unzen.

Die neue Präzisionswaage im Magazin veröffentlicht wissenermöglicht es Wissenschaftlern, das Standardmodell der Teilchenphysik zu testen, den theoretischen Rahmen, der die Natur auf ihrer grundlegendsten Ebene beschreibt. Das Ergebnis: Der neue Massenwert zeigt eine Spannung zu dem Wert, den Wissenschaftler durch experimentelle und theoretische Eingaben im Kontext des Standardmodells erhalten.

Der Collider-Detektor Fermilab zeichnete von 1985 bis 2011 die hochenergetischen Teilchenkollisionen auf, die der Tevatron Collider erzeugte. Rund 400 Wissenschaftler an 54 Institutionen in 23 Ländern arbeiten noch immer an der Fülle von Daten, die das Experiment gesammelt hat. Bildnachweis: Fermilab

„Die Anzahl der Verbesserungen und zusätzlichen Validierungen, die an unseren Ergebnissen vorgenommen wurden, ist enorm“, sagte Ashutosh V. Kotwal von der Duke University, der diese Analyse leitete und einer von 400 Wissenschaftlern in der CDF-Kollaboration ist. „Wir haben unser verbessertes Verständnis unseres Teilchendetektors sowie Fortschritte im theoretischen und experimentellen Verständnis der Wechselwirkungen des W-Bosons mit anderen Teilchen berücksichtigt. Als wir schließlich das Ergebnis enthüllten, stellten wir fest, dass es von der Vorhersage des Standardmodells abwich. „

Bestätigt sich diese Messung, weist diese Messung auf potenziellen Verbesserungsbedarf zu Lasten des Standardmodells oder von Erweiterungen des Modells hin.

Wissenschaftler haben nun die Masse des W-Bosons mit einer Genauigkeit von 0,01 % bestimmt. Das ist die doppelte Genauigkeit der bisherigen Bestmessung und zeigt Spannung zum Standardmodell.

Der neue Wert stimmt mit vielen früheren W-Boson-Massenmessungen überein, aber es gibt auch einige Unterschiede. Zukünftige Messungen werden notwendig sein, um mehr Licht auf das Ergebnis zu werfen.

„Obwohl dies ein interessantes Ergebnis ist, muss die Messung durch ein anderes Experiment bestätigt werden, bevor sie vollständig erklärt werden kann“, sagte Joe Lykken, stellvertretender Direktor von Fermilab.

Das W-Boson ist ein Botenteilchen der schwachen Kernkraft. Es ist verantwortlich für die nuklearen Prozesse, die die Sonne zum Leuchten bringen und die Moleküle zerfallen lassen. Unter Verwendung hochenergetischer Teilchenkollisionen vom Tevatron Collider am Fermilab sammelte die CDF-Kollaboration von 1985 bis 2011 riesige Datenmengen, die W-Bosonen enthielten.

Das W-Boson ist das Botenteilchen der schwachen Kernkraft. Es ist verantwortlich für die nuklearen Prozesse, die die Sonne zum Leuchten bringen und die Moleküle zerfallen lassen. CDF-Wissenschaftler untersuchen die Eigenschaften des W-Bosons anhand von Daten, die sie am Tevatron Collider am Fermilab gesammelt haben. Bildnachweis: Fermi National Accelerator Laboratory

CDF-Physiker Chris Hayes aus[{“ attribute=““>University of Oxford said, “The CDF measurement was performed over the course of many years, with the measured value hidden from the analyzers until the procedures were fully scrutinized. When we uncovered the value, it was a surprise.”

The mass of a W boson is about 80 times the mass of a proton, or approximately 80,000 MeV/c². CDF researchers have worked on achieving increasingly more precise measurements of the W boson mass for more than 20 years. The central value and uncertainty of their latest mass measurement is 80,433 +/- 9 MeV/c². This result uses the entire dataset collected from the Tevatron collider at Fermilab. It is based on the observation of 4.2 million W boson candidates, about four times the number used in the analysis the collaboration published in 2012.

The mass of a W boson is about 80 times the mass of a proton, or approximately 80,000 MeV/c2. Scientists of the Collider Detector at Fermilab collaboration have achieved the world’s most precise measurement. The CDF value has a precision of 0.01 percent and is in agreement with many W boson mass measurements. It shows tension with the value expected based on the Standard Model of particle physics. The horizontal bars indicate the uncertainty of the measurements achieved by various experiments. The LHCb result was published after this paper was submitted and is 80354+- 32 MeV/c2. Credit: CDF collaboration

“Many collider experiments have produced measurements of the W boson mass over the last 40 years,” said CDF co-spokesperson Giorgio Chiarelli, Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN-Pisa). “These are challenging, complicated measurements, and they have achieved ever more precision. It took us many years to go through all the details and the needed checks. It is our most robust measurement to date, and the discrepancy between the measured and expected values persists.”

The collaboration also compared their result to the best value expected for the W boson mass using the Standard Model, which is 80,357 ± 6 MeV/c². This value is based on complex Standard Model calculations that intricately link the mass of the W boson to the measurements of the masses of two other particles: the top quark, discovered at the Tevatron collider at Fermilab in 1995, and the Higgs boson, discovered at the Large Hadron Collider at CERN in 2012.

CDF co-spokesperson David Toback, Texas A&M University, stated the result is an important contribution to testing the accuracy of the Standard Model. “It’s now up to the theoretical physics community and other experiments to follow up on this and shed light on this mystery,” he added. “If the difference between the experimental and expected value is due to some kind of new particle or subatomic interaction, which is one of the possibilities, there’s a good chance it’s something that could be discovered in future experiments.”

Reference: “High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector” by CDF Collaboration, T. Aaltonen, S. Amerio, D. Amidei, A. Anastassov, A. Annovi, J. Antos, G. Apollinari, J. A. Appel, T. Arisawa, A. Artikov, J. Asaadi, W. Ashmanskas, B. Auerbach, A. Aurisano, F. Azfar, W. Badgett, T. Bae, A. Barbaro-Galtieri, V. E. Barnes, B. A. Barnett, P. Barria, P. Bartos, M. Bauce, F. Bedeschi, S. Behari, G. Bellettini, J. Bellinger, D. Benjamin, A. Beretvas, A. Bhatti, K. R. Bland, B. Blumenfeld, A. Bocci, A. Bodek, D. Bortoletto, J. Boudreau, A. Boveia, L. Brigliadori, C. Bromberg, E. Brucken, J. Budagov, H. S. Budd, K. Burkett, G. Busetto, P. Bussey, P. Butti, A. Buzatu, A. Calamba, S. Camarda, M. Campanelli, B. Carls, D. Carlsmith, R. Carosi, S. Carrillo, B. Casal, M. Casarsa, A. Castro, P. Catastini, D. Cauz, V. Cavaliere, A. Cerri, L. Cerrito, Y. C. Chen, M. Chertok, G. Chiarelli, G. Chlachidze, K. Cho, D. Chokheli, A. Clark, C. Clarke, M. E. Convery, J. Conway, M. Corbo, M. Cordelli, C. A. Cox, D. J. Cox, M. Cremonesi, D. Cruz, J. Cuevas, R. Culbertson, N. d’Ascenzo, M. Datta, P. de Barbaro, L. Demortier, M. Deninno, M. D’Errico, F. Devoto, A. Di Canto, B. Di Ruzza, J. R. Dittmann, S. Donati, M. D’Onofrio, M. Dorigo, A. Driutti, K. Ebina, R. Edgar, A. Elagin, R. Erbacher, S. Errede, B. Esham, S. Farrington, J. P. Fernández Ramos, R. Field, G. Flanagan, R. Forrest, M. Franklin, J. C. Freeman, H. Frisch, Y. Funakoshi, C. Galloni, A. F. Garfinkel, P. Garosi, H. Gerberich, E. Gerchtein, S. Giagu, V. Giakoumopoulou, K. Gibson, C. M. Ginsburg, N. Giokaris, P. Giromini, V. Glagolev, D. Glenzinski, M. Gold, D. Goldin, A. Golossanov, G. Gomez, G. Gomez-Ceballos, M. Goncharov, O. González López, I. Gorelov, A. T. Goshaw, K. Goulianos, E. Gramellini, C. Grosso-Pilcher, J. Guimaraes da Costa, S. R. Hahn, J. Y. Han, F. Happacher, K. Hara, M. Hare, R. F. Harr, T. Harrington-Taber, K. Hatakeyama, C. Hays, J. Heinrich, M. Herndon, A. Hocker, Z. Hong, W. Hopkins, S. Hou, R. E. Hughes, U. Husemann, M. Hussein, J. Huston, G. Introzzi, M. Iori, A. Ivanov, E. James, D. Jang, B. Jayatilaka, E. J. Jeon, S. Jindariani, M. Jones … P. Wagner, R. Wallny, S. M. Wang, D. Waters, W. C. Wester, D. Whiteson, A. B. Wicklund, S. Wilbur, H. H. Williams, J. S. Wilson, P. Wilson, B. L. Winer, P. Wittich, S. Wolbers, H. Wolfmeister, T. Wright, X. Wu, Z. Wu, K. Yamamoto, D. Yamato, T. Yang, U. K. Yang, Y. C. Yang, W.-M. Yao, G. P. Yeh, K. Yi, J. Yoh, K. Yorita, T. Yoshida, G. B. Yu, I. Yu, A. M. Zanetti, Y. Zeng, C. Zhou and S. Zucchelli, 7 April 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abk1781

The CDF collaboration comprises 400 scientists at 54 institutions in 23 countries.