Warum Wissenschaftler über W-Boson besorgt sind: „Etwas stimmt nicht“

Sie haben vielleicht von Protonen gehört, die positive Punkte sind, die Atome beweisen. Sie sind wahrscheinlich auf Elektronen gestoßen, negative Blitze, die um diese Protonen herumwandern. Sie haben vielleicht an die Photonen und Dinge gedacht, die aus den Lampen in Ihrem Zimmer kommen.

Aber jetzt müssen wir uns Sorgen machen, dass ein seltsames kleines Teilchen dem Rampenlicht entgeht: das W-Boson.

Zusammen mit ihrem Partner in Crime, dem Z-Boson, diktiert das W-Boson die sogenannte „schwache Kraft“. Ich werde Sie vor dem Kaninchenbau bewahren, wie die schwache Kraft funktioniert, weil es um Physik geht, die uns umhauen wird. Vertrau mir. Wisse nur, dass ohne schwache Kraft, Die Sonne wird aufhören zu brennen.

Wie auch immer, es gibt ein Drama mit dem W-Boson. entsprechend Ein Artikel, der am Donnerstag in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, 10 Jahre unvorstellbar genauer Daten deuten darauf hin, dass das Teilchen größer ist, als unsere Physik vorhersagt. Wenn Sie kein Physiker sind, mag dies auf den ersten Blick trivial erscheinen. Aber es ist eigentlich ein großes Problem für … so ziemlich alles.

Genauer gesagt, es stellt ein Paradoxon des Standardmodells der Teilchenphysik auf, einer gut etablierten und sich entwickelnden Theorie, die erklärt, wie sich alle Teilchen des Universums verhalten – Protonen, Elektronen, Photonen und sogar solche, von denen wir nicht wirklich etwas hören, wie Gluonen , Myonen, ich kann weitermachen. Das W-Boson ist auch da.

„Das ist einer der Eckpfeiler des Standardmodells“, sagte Giorgio Chiarelli, Forschungsdirektor am Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien und Mitautor der Studie.

Aber das ist die Essenz des Standardmodells. Es ist wie das Reich der symbiotischen Teilchen. Stellen Sie sich jedes Teil im Modell als eine Schnur vor, die perfekt organisiert ist, um alles miteinander zu verbinden. Ist einer der Fäden zu fest, fängt die Sache an zu wackeln – egal welche Saite. Als solches sagt das Standardmodell einige Parameter für jeden „String“ oder jedes Teilchen voraus, und ein sehr wichtiger Faktor ist die Masse des W-Bosons.

Einfach ausgedrückt, wenn dieses Teilchen nicht gleich dieser Masse ist, funktioniert der Rest des Modells nicht perfekt. Und wenn das wahr ist, müssen wir das Paradigma ändern – wir müssen unser Verständnis davon ändern, wie Alle Teilchen im Universum Arbeit.

Erinnerst du dich an das neue Blatt? Wir betreten so ziemlich dieses Worst-Case-Szenario.

Ein Jahrzehnt von Berechnungen, Messungen, Kreuzverhör, Kopfkratzen und tiefem Atmen von fast 400 internationalen Forschern kam zu dem Schluss, dass das W-Boson etwas schwerer ist als das Standardmodell vorhersagt.

„Es ist kein großer Unterschied, aber wir können wirklich deutlich sehen, dass es anders ist“, sagte David Tobak, ein Teilchenphysiker von der Texas A&M University und Co-Autor der Studie. „da stimmt etwas nicht“.

Sie fragen sich vielleicht, ob wir uns dessen sicher sind. Die wissenschaftliche Gemeinschaft hatte die gleiche Reaktion, weshalb sich die Forscher jetzt auf Laser konzentrieren, um zu bestätigen, dass diese große Masse des W-Bosons tatsächlich die Wahrheit ist.

„Wir hätten es falsch machen können“, sagte Tupac. Aber er fügte schnell hinzu: „Das glauben wir nicht.“

Weil, erklärt Tupac, das Team „diesen winzigen Unterschied mit unglaublicher Genauigkeit gemessen hat, dass er herausragt wie ein schmerzender Daumen“. Überraschenderweise ähneln diese Messungen etwas der Inferenz im Tatortstil.

Pass auf, was fehlt

Um das W-Boson überhaupt zu erhalten, müssen Sie buchstäblich zwei Protonen zusammenschlagen.

Daraus ergeben sich viele weitere Standardmodell-Partikel, und die Wissenschaftler müssen nur hoffen, dass eines dieser Partikel dasjenige ist, das sie untersuchen wollen. (In diesem Fall ist dies das W-Boson).

Für die neuen Messungen nutzten die Forscher Kollisionsdaten des inzwischen stillgelegten Teilchenbeschleunigers Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois. Glücklicherweise habe ich einige W-Bosonen hergestellt und tatsächlich genügend W-Boson-Daten aufbewahrt, um etwa das Vierfache der Menge zu erhalten, die in früheren Messungen verwendet wurde. Jackpot-Gewinn.

Aber es gibt eine Komplikation. Das W-Boson verschwindet. Es spaltet sich schnell in zwei kleinere Partikel auf, sodass Sie es nicht direkt messen können. Eines davon ist entweder ein Elektron oder ein Myon, das vielleicht Es kann direkt gemessen werden, aber das andere ist wohl seltsamer als das W-Boson selbst: ein Neutrino.

Neutrinos werden treffend als „Geisterteilchen“ bezeichnet. Weil sie nichts berühren. Sie zoomen jetzt auf Ihre Fotos, aber Sie können es nicht erkennen, weil sie die Atome, aus denen Ihr Körper besteht, nicht berühren. Seltsam, ich weiß.

Diese gespenstische Hürde verlangt von den Wissenschaftlern, kreativ zu sein. Betreten Sie die Kunst der Deduktion.

Sind die Neutrinos weg, hinterlassen sie eine Art Loch. „Dem Neutrino-Effekt fehlt Energie“, sagte Chiarelli. „Das sagt uns, wohin das Neutrino gegangen ist und wie viel Energie wegtransportiert wurde.“

Es ist ein bisschen das gleiche Konzept wie Röntgenstrahlen. „Die Röntgenstrahlen gehen durch, aber bis zu dem Punkt, an dem sich ein Stück Metall befindet, kann man die Form sehen“, sagte Chiarelli. „Form“ ist „fehlende Energie“.

Nachdem sie das Neutrino entschlüsselt hatten, verwendeten die Wissenschaftler eine Reihe komplexer Gleichungen, um es mit den Elektronen- oder Myondaten zu kombinieren. Daraus ergibt sich die Gesamtmasse des W-Bosons. Diese Messung wurde viele Male durchgeführt, um sicherzustellen, dass alles so genau wie möglich war. Darüber hinaus wurden alle Daten durch theoretische Berechnungen untermauert, die seit der letzten Messung des W-Bosons ausgereift sind.

Doch … es gibt eine weitere Komplikation.

Wie bei allen wissenschaftlichen Bemühungen gibt es keine richtige oder falsche Antwort. Es gibt nur eine Datei Antworten. Aber wie bei allen menschlichen Gedanken gibt es ein Potenzial für Voreingenommenheit, und das Team möchte nicht Opfer eines solchen persönlichen Fehlers werden. Tupac zitiert Sherlock Holmes als Erklärung für die Mentalität des Teams: „Man muss Theorien finden, die zu Fakten passen, nicht Fakten, die zu Theorien passen.“

„Ist es stressiger?“ Notiz. „Ja, aber der Natur ist mein Druck egal. Wir wollen die Antwort wissen.“

Das Team überprüfte seine Daten also nicht nur zwei-, drei- oder viermal, sondern völlig frei von der endgültigen Antwort. Als die Kiste mit dem Ergebnis der Bosonenmasse W geöffnet wurde, blickten alle zum ersten Mal darauf.

Spulen wir ins Jahr 2020 vor, wenn die Spannungen hoch sind, sich die Kiste endlich öffnet und die Masse des W-Bosons in klarem Gegensatz zu den Vorhersagen des Standardmodells steht.

„Es war kein Heureka-Moment“, sagte Chiarelli. „Es war ein ziemlich realistischer Moment. Wir waren skeptisch. Die Wissenschaft ist in Skepsis organisiert.“

Aber im Laufe der Zeit verblasste dieser Zweifel und hier sind wir.

Es sieht alles sehr solide aus. Was jetzt?

In gewisser Weise kommen diese Informationen schon seit langem. „Wir wussten von Anfang an, dass das Standardmodell nicht die ultimative Theorie sein konnte“, sagte Chiarelli.

Beispielsweise kann das bekannte Standardmodell die Schwerkraft nicht erklären, Dunkle Materieund viele andere Shuffles Aspekte unseres Universums.

Eine Idee ist, dass diese neuen Informationen über die Masse des W-Bosons bedeuten könnten, dass wir dem Standardmodell einige Teilchen hinzufügen müssen, um die Änderung zu berücksichtigen. Dies wiederum könnte sich auf das auswirken, was wir über das berühmte Higgs-Boson oder „Gottesteilchen“ wissen, das schließlich 2012 entdeckt und getroffen wurde Mit erstaunlichem Applaus.

„Aber wir sind nicht da“, sagte Tupac. Das wäre nur eine Vermutung.“

Anstatt zu spekulieren, stimmen Tupac und Chiarelli darin überein, dass wir einfach den Fakten folgen sollten, selbst wenn wir wissen, dass die Fakten uns eines Tages zu einer neuen fundamentalen Theorie der Teilchenphysik führen werden.

„Es ist, als würde man sich im Dunkeln bewegen“, sagte Chiarelli. „Du weißt, dass es nur einen richtigen Weg gibt, aber du weißt nicht wohin … vielleicht kann uns unsere Messung die richtige Richtung geben, in die wir uns bewegen müssen.“