„Man kann es schnell machen, man kann es billig machen oder man kann es richtig machen. Wir haben es richtig gemacht.“ Dies waren einige der einleitenden Bemerkungen von David Toback, Leiter des Collider Detector bei Fermilab, als er die Ergebnisse eines jahrzehntelangen Experiments zur Messung der Masse eines Teilchens namens W-Boson bekannt gab .
Ich bin Hochenergieteilchenphysiker und Teil des Teams von Hunderten von Wissenschaftlern, die den Collider Detector am Fermilab in Illinois – bekannt als CDF – gebaut und betrieben haben.
Nach Billionen von Kollisionen und Jahren der Datensammlung und Zahlenverarbeitung fand das CDF-Team heraus, dass das W-Boson etwas mehr Masse hat als erwartet . Obwohl die Diskrepanz winzig ist, haben die Ergebnisse, die in einem Artikel beschrieben wurden, der am 7. April 2022 in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, die Welt der Teilchenphysik elektrisiert . Wenn die Messung korrekt ist, ist dies ein weiteres starkes Signal dafür, dass im physikalischen Puzzle, wie das Universum funktioniert, Teile fehlen.
Ein Teilchen, das die schwache Kraft trägt
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist der derzeit beste wissenschaftliche Rahmen für die Grundgesetze des Universums und beschreibt drei Grundkräfte : die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die starke Kraft.
Die starke Kraft hält Atomkerne zusammen. Einige Kerne sind jedoch instabil und unterliegen einem radioaktiven Zerfall, wobei sie langsam Energie freisetzen, indem sie Teilchen emittieren. Dieser Prozess wird von der schwachen Kraft angetrieben, und seit den frühen 1900er Jahren suchten Physiker nach einer Erklärung dafür, warum und wie Atome zerfallen.
Nach dem Standardmodell werden Kräfte durch Teilchen übertragen. In den 1960er Jahren schlug eine Reihe von theoretischen und experimentellen Durchbrüchen vor, dass die schwache Kraft von Teilchen übertragen wird, die als W- und Z-Bosonen bezeichnet werden. Es wurde auch postuliert, dass ein drittes Teilchen, das Higgs-Boson, allen anderen Teilchen – einschließlich W- und Z-Bosonen – Masse verleiht.
Seit dem Aufkommen des Standardmodells in den 1960er Jahren arbeiten sich Wissenschaftler die Liste der vorhergesagten, aber unentdeckten Partikel ab und messen ihre Eigenschaften. 1983 lieferten zwei Experimente am CERN in Genf, Schweiz, den ersten Beweis für die Existenz des W-Bosons . Es schien ungefähr die Masse eines mittelgroßen Atoms wie Brom zu haben.
In den 2000er Jahren fehlte nur noch ein Teil, um das Standardmodell zu vervollständigen und alles zusammenzufügen: das Higgs-Boson. Ich half bei der Suche nach dem Higgs-Boson bei drei aufeinanderfolgenden Experimenten, und schließlich entdeckten wir es 2012 am Large Hadron Collider am CERN.
Das Standardmodell war vollständig, und alle von uns durchgeführten Messungen passten wunderbar zu den Vorhersagen.
Messung von W-Bosonen
Das Testen des Standardmodells macht Spaß. Sie schlagen einfach Partikel mit sehr hohen Energien zusammen. Diese Kollisionen erzeugen kurzzeitig schwerere Teilchen, die dann wieder in leichtere zerfallen. Physiker verwenden riesige und sehr empfindliche Detektoren an Orten wie Fermilab und CERN, um die Eigenschaften und Wechselwirkungen der Teilchen zu messen, die bei diesen Kollisionen entstehen.
In CDF werden W-Bosonen etwa in einem von 10 Millionen Fällen erzeugt, wenn ein Proton und ein Antiproton kollidieren. Antiprotonen sind die Antimaterie-Version von Protonen, mit genau der gleichen Masse, aber entgegengesetzter Ladung. Protonen bestehen aus kleineren Elementarteilchen, die Quarks genannt werden, und Antiprotonen bestehen aus Antiquarks. Es ist die Kollision zwischen Quarks und Antiquarks, die W-Bosonen erzeugt . W-Bosonen zerfallen so schnell, dass sie nicht direkt gemessen werden können. Physiker verfolgen also die Energie, die bei ihrem Zerfall entsteht, um die Masse der W-Bosonen zu messen.
In den 40 Jahren, seit Wissenschaftler den ersten Nachweis des W-Bosons entdeckten, haben aufeinanderfolgende Experimente immer genauere Messungen seiner Masse ermöglicht. Aber erst seit der Messung des Higgs-Bosons – da es allen anderen Teilchen Masse verleiht – konnten Forscher die gemessene Masse von W-Bosonen mit der vom Standardmodell vorhergesagten Masse vergleichen . Die Vorhersage und die Experimente stimmten immer überein – bis jetzt.
Unerwartet schwer
Der CDF-Detektor am Fermilab eignet sich hervorragend zur genauen Messung von W-Bosonen. Von 2001 bis 2011 ließ der Beschleuniger Protonen mit Antiprotonen Billionen Mal kollidieren, wodurch Millionen von W-Bosonen produziert und so viele Daten wie möglich von jeder Kollision aufgezeichnet wurden.
Das Fermilab-Team veröffentlichte erste Ergebnisse unter Verwendung eines Bruchteils der Daten im Jahr 2012. Wir fanden heraus, dass die Masse leicht abweicht, aber nahe an der Vorhersage liegt. Das Team verbrachte dann ein Jahrzehnt damit, den gesamten Datensatz sorgfältig zu analysieren. Der Prozess umfasste zahlreiche interne Gegenprüfungen und erforderte jahrelange Computersimulationen. Um zu vermeiden, dass sich Verzerrungen in die Analyse einschleichen, konnte niemand Ergebnisse sehen, bis die vollständige Berechnung abgeschlossen war.
Als die Physikwelt am 7. April 2022 endlich das Ergebnis sah, waren wir alle überrascht. Physiker messen Elementarteilchenmassen in Einheiten von Millionen Elektronenvolt – abgekürzt MeV. Die Masse des W-Bosons betrug 80.433 MeV – 70 MeV höher als das, was das Standardmodell vorhersagt. Dies mag wie ein winziger Überschuss erscheinen, aber die Messung ist auf 9 MeV genau. Dies ist eine Abweichung von fast dem Achtfachen der Fehlerspanne. Als meine Kollegen und ich das Ergebnis sahen, war unsere Reaktion ein klares "Wow!"
Was das für das Standardmodell bedeutet
Dass die gemessene Masse des W-Bosons nicht mit der im Standardmodell vorhergesagten Masse übereinstimmt, könnte dreierlei bedeuten. Entweder ist die Mathematik falsch, die Messung ist falsch oder etwas fehlt im Standardmodell.
Zuerst die Mathematik. Um die Masse des W-Bosons zu berechnen, verwenden Physiker die Masse des Higgs-Bosons. CERN-Experimente haben es Physikern ermöglicht, die Masse des Higgs-Bosons auf ein Viertel Prozent genau zu messen. Darüber hinaus arbeiten theoretische Physiker seit Jahrzehnten an den W-Boson-Massenberechnungen . Während die Mathematik ausgefeilt ist, ist die Vorhersage solide und wird sich wahrscheinlich nicht ändern.
Die nächste Möglichkeit ist ein Fehler im Experiment oder in der Analyse. Physiker auf der ganzen Welt überprüfen bereits das Ergebnis, um zu versuchen, Löcher darin zu stechen. Darüber hinaus könnten zukünftige Experimente am CERN schließlich zu einem genaueren Ergebnis führen, das die Fermilab-Masse entweder bestätigen oder widerlegen wird. Aber meiner Meinung nach ist das Experiment eine so gute Messung, wie es derzeit möglich ist.
Damit bleibt die letzte Option: Es gibt unerklärliche Teilchen oder Kräfte, die die Aufwärtsverschiebung der Masse des W-Bosons verursachen. Schon vor dieser Messung hatten einige Theoretiker potenzielle neue Teilchen oder Kräfte vorgeschlagen , die zu der beobachteten Abweichung führen würden. In den kommenden Monaten und Jahren erwarte ich eine Reihe neuer Arbeiten, die versuchen, die rätselhafte Masse der W-Bosonen zu erklären.
Als Teilchenphysiker bin ich zuversichtlich zu sagen, dass es mehr Physik geben muss, die darauf wartet, jenseits des Standardmodells entdeckt zu werden. Wenn dieses neue Ergebnis Bestand hat, ist es das jüngste in einer Reihe von Erkenntnissen, die zeigen, dass das Standardmodell und reale Messungen oft nicht ganz übereinstimmen. Es sind diese Mysterien, die Physikern neue Hinweise und neue Gründe geben, weiter nach einem umfassenderen Verständnis von Materie, Energie, Raum und Zeit zu suchen.
John Conway ist ein experimenteller Hochenergie-Teilchenphysiker und derzeit an zwei großen Experimenten beteiligt: CDF am Fermilab Tevatron in Batavia, Illinois, und CMS am Large Hadron Collider am CERN in Genf, Schweiz. Er wird vom US Department of Energy und der US National Science Foundation gefördert.
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Den Originalartikel finden Sie hier .
