Das riesige Compact Muon Solenoid Experiment am LHC. Die verschiedenen Ringe von Detektoren, die wie eine Zwiebel angeordnet sind, messen unterschiedliche Teilchen.(Bildnachweis: CERN/Maximilien Brice)
Die Masse des W-Boson-Teilchens wurde mit dem Large Hadron Collider genau so bestimmt, wie es das Standardmodell der Teilchenphysik vorhersagt. Dies widerspricht früheren Ergebnissen von Fermilab, die auf eine andere Masse und damit auf das Potenzial für neue Physik hindeuteten.
Während die Entdeckung das Standardmodell als unsere beste Darstellung der Teilchenwelt weiter zementiert, hatten die Wissenschaftler gehofft, dass ihr Modell tatsächlich falsch war und dass die Diskrepanz bei der Masse des W-Bosons den Weg zu neuen Theorien weisen könnte, die Rätsel wie die Identität der dunklen Materie erklären könnten, die 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht, aber für uns praktisch unsichtbar bleibt.
Bosonen sind fundamentale Teilchen, die die Kräfte der Natur übertragen. Die starke Kraft, die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhält, wird von einem Boson namens Gluon getragen, das Boson der elektromagnetischen Kraft ist das Photon, und die schwache Kraft, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist, hat drei Bosonen: W+, W- und das Z-Boson.
Die Messung der Massen dieser Teilchen ist schwierig, weil sie eine unglaublich flüchtige Existenz haben, bevor sie in andere Teilchen zerfallen. Daher erschaffen die Physiker die Bosonen zunächst, indem sie Protonenstrahlen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, in einem Teilchenbeschleuniger zusammenstoßen lassen. Im LHC zum Beispiel stoßen die Protonen mit einer Gesamtenergie von 13 Billionen Elektronenvolt (eV) zusammen. Bei der Kollision werden die Protonen gezwungen, in andere Teilchen zu zerschmettern, von denen einige Bosonen sind (so wurde das Higgs-Boson, das Träger des Higgs-Feldes ist, das so ziemlich allem seine Masse verleiht, am Large Hadron Collider entdeckt). Die Bosonen selbst zerfallen dann ebenfalls, und die beste Art, ihre Masse zu messen, ist die Kombination der Massen aller Teilchen, die die zerfallenden Bosonen erzeugen.
Bosonen zerfallen in Teilchen, die Leptonen (oder Antileptonen) genannt werden, d. h. Elektronen, Myonen oder Tau-Teilchen (ein Lepton ist durch einen halbzahligen Spin definiert, also 1/2 oder 3/2). Das Z-Boson zerfällt in zwei weitere Teilchen, die Myonen, die relativ leicht zu messen sind. Aus diesem Grund ist die Masse des Z-Bosons mit einem Wert von 91.187,6 MeV und einer Fehlermarge von ± 2,1 MeV (Millionen eV) bekannt.
Die W+- und W- Bosonen zerfallen jedoch in ein Lepton (oder Antilepton) und ein Neutrino, und genau hier liegt das Problem.
Neutrinos sind sehr kleine, schwer fassbare Teilchen, die wie Geister durch Detektoren schwirren können. Billionen von Neutrinos fließen sogar gerade durch deinen Körper, aber du kannst es nicht erkennen. Deshalb braucht man im IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol einen Kubikkilometer Eis, der mit Photomultipliern gespickt ist, um sie zu entdecken. Auch der Large Hadron Collider kann Neutrinos nachweisen, allerdings erst seit kurzem mit zwei Detektoren, FASER (Forward Search Experiment) und SND (Scattering and Neutrino Detector). Der LHC hat seine ersten Neutrinonachweise für August 2023 angekündigt.
Das Standardmodell sagt eine Masse der W+ und W- Bosonen von 80.357 MeV, ± 6 MeV, voraus, basierend auf einer Theorie, die die elektromagnetische Kraft mit der schwachen Kraft kombiniert, der sogenannten „elektroschwachen Theorie“. Im Jahr 2022 jedoch ermittelten Physiker, die alte Daten aus dem Jahr 2011 (die vom Tevatron-Teilchenbeschleuniger des Fermilab in Illinois, USA, stammen) neu analysierten, eine W-Bosonen-Masse von 80.433 MeV, ± 9 MeV. Damit lag die Masse des W-Bosons außerhalb des Bereichs des Standardmodells. Wenn es richtig war, bedeutete dies neue physikalische Erkenntnisse wie die „Supersymmetrie“ (die besagt, dass jedes Teilchen des Standardmodells ein zusätzliches, viel massereicheres Gegenstück hat) und die Quantenschleifengravitation (die beschreibt, wie die Struktur des Universums aus winzigen Quantenschleifen bestehen könnte). Infolgedessen war die Welt der Physik von diesen Möglichkeiten sehr begeistert.
Also, es sollte nicht sein.
Im Jahr 2023 maß das ATLAS-Experiment des LHC die Masse des W-Bosons mit 80.360 MeV ± 16 MeV, was in der Tat mit dem Standardmodell übereinstimmt – aber angesichts der verlockenden Ergebnisse von Fermilab bestand die Sorge, dass ATLAS einen unerkannten systematischen Fehler hat, der seine Messungen beeinflusst.
Neue Messungen der Masse des W-Bosons wurden jedoch vom Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment des LHC durchgeführt und stimmen ebenfalls mit dem Standardmodell überein: Sie ergeben eine Masse von 80.360,2 ± 9,9 MeV. Dies entspricht nur 1,42 x 10^-25 Kilogramm.
„Im Grunde genommen haben wir eine 14.000-Tonnen-Waage benutzt, um das Gewicht eines Teilchens zu messen, das eine Masse von 1 x 10^-25 kg hat, also etwa das 80-fache der Masse eines Protons“, sagte der Physiker Michalis Bachtis von der University of California, Los Angeles, in einer Erklärung.
Viele Physiker hatten natürlich gehofft, dass sich eine Diskrepanz in der Masse des W-Bosons herausstellen würde, da dies die Tür für eine neue Physik geöffnet hätte, die zur Erklärung dieser Diskrepanzmasse erforderlich wäre. Am Beispiel der Supersymmetrie könnte dieses Konzept den Weg zur Erklärung der dunklen Materie weisen. Ein führender Kandidat für dunkle Materie ist derzeit eine Art von Teilchen namens WIMP, was für Weakly Interacting Massive Particle (schwach wechselwirkendes massives Teilchen) steht – und ein massives, schwach wechselwirkendes Teilchen würde perfekt in die Grenzen der Supersymmetrie passen. Leider wurden bisher noch keine supersymmetrischen Partner für die Teilchen des Standardmodells gefunden, und die Theorie der Supersymmetrie ist noch lange nicht bewiesen.
„Alle hatten gehofft, dass wir es abseits der Theorie messen und damit die Hoffnung auf neue Physik wecken würden“, so Bachtis. „Durch die Bestätigung, dass die Masse des W-Bosons mit der Theorie übereinstimmt, müssen wir an anderer Stelle nach neuer Physik suchen, vielleicht indem wir auch das Higgs-Boson mit hoher Präzision untersuchen.“
Doch die Bestätigung der Masse des W-Bosons öffnet die Tür zu anderen Dingen. Zum Beispiel ist es möglich, diese Massenmessung zu nutzen, um die Stärke des Higgs-Feldes besser zu beurteilen oder die elektroschwache Theorie besser zu verstehen. Diese Fortschritte sind aufgrund der Art und Weise, wie CMS die Masse des W-Bosons gemessen hat, möglich: durch die Kalibrierung der Energie der emittierten Myonen mit einer Fehlermarge von nur 0,01 %, was um Größenordnungen präziser ist als das, was man früher für möglich gehalten hat.
„Dieses neue Präzisionsniveau wird es uns ermöglichen, kritische Messungen, wie die des W-, Z- und Higgs-Bosons, mit höherer Genauigkeit durchzuführen“, sagte die Doktorandin Elisabetta Manca, die seit 8 Jahren mit Bachtis an diesem Projekt arbeitet.
Das Standardmodell gewinnt also erneut – aber angesichts der zunehmenden kosmologischen Rätsel wie dunkle Materie, dunkle Energie und sogar die Hubble-Spannung muss irgendwann etwas in unserem Verständnis der Physik zusammenbrechen, um der Welt der Physik den Weg in die Zukunft zu weisen.
Die Ergebnisse werden auf der CMS-Website des CERN beschrieben.
