Quelle: DESY 17. September 2024.

17. September 2024 – Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen genau wissen, wie viel Masse das W-Boson hat. Mit diesem Wissen können sie überprüfen, ob ihre theoretischen Vorhersagen zutreffen, und Abweichungen von diesen Vorhersagen schnell und zuverlässig erkennen. Das CMS-Experiment am CERN hat nun die bisher genaueste Messung der Masse des W-Bosons vorgelegt. An dieser anspruchsvollen Analyse haben experimentelle und theoretische Teilchenphysiker:innen bei DESY in enger Zusammenarbeit maßgeblich mitgewirkt.

Die CMS-Kollaboration, ein großer Zusammenschluss von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, hat heute die Ergebnisse über ihre erste Massen-Messung des W-Bosons aus Proton-Proton-Kollisionsdaten aus der zweiten Laufzeit des Large Hadron Collider, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf, vorgestellt. Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das zusammen mit dem Z-Boson die schwache Kraft überträgt. Die schwache Kraft ist für eine Form der Radioaktivität verantwortlich und löst die Kernfusionsreaktion aus, die die Sonne zum Leuchten bringt.

Das heute präsentierte Ergebnis ist die bisher präziseste Messung der W-Masse, die am LHC durchgeführt wurde, und stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein. Möglich wurde das Ergebnis durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Faktoren, darunter die bisher präziseste Rekonstruktion der Myonen im CMS-Detektor und ein neuer theoretischer Ansatz, der bei DESY entwickelt wurde.

Im Standardmodell der Teilchenphysik, der Theorie, die alle Teilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte mit höchstmöglicher Präzision beschreibt, steht die W-Masse in engem Zusammenhang mit der Stärke der Wechselwirkung, die die elektromagnetische und die schwache Kraft vereint. Außerdem sind die Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks eng damit verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons mit hoher Präzision macht es daher möglich zu prüfen, ob diese Eigenschaften mit dem Standardmodell übereinstimmen oder nicht. Ist dies nicht der Fall, könnte die Ursache in neuen physikalischen Phänomenen wie neuen Teilchen oder unbekannten Wechselwirkungen liegen.

Das W-Boson wurde im Jahr 1983 am CERN entdeckt, allerdings war es schon immer eine besondere Herausforderung, seine Masse zu messen. Seit seiner Entdeckung haben mehrere Collider-Experimente am CERN und anderswo immer präzisere Massenmessungen durchgeführt. Das CMS-Experiment hat nun mit seiner ersten solchen Messung einen wichtigen Beitrag zu diesen globalen Bemühungen geleistet. Das Ergebnis, 80360,2 MeV mit einer Unsicherheit von 9,9 MeV, hat eine Genauigkeit, die mit der einer Messung des CDF-Experiments am Fermilab in den USA vergleichbar ist, und stimmt mit allen früheren Messungen außer dem CDF-Ergebnis überein.

„Diese Analyse ist der erste Versuch, die W-Masse unter den anspruchsvollen Kollisionsbedingungen der zweiten LHC-Laufzeit zu messen. Die harte Arbeit des Teams hat zu einer äußerst präzisen Messung der W-Masse und der genauesten Messung am LHC geführt“, sagt CMS-Sprecherin Patricia McBride. „Dies ist eine der komplexesten Analysen, die ich bei CMS je gesehen habe“, fügt die DESY-Wissenschaftlerin Katerina Lipka, Leiterin der Helmholtz-W2/W3-Gruppe „Standard Model at Ultimate Precision“, hinzu. Simone Amoroso und Federico Vazzoler, Wissenschaftler in dieser Gruppe, waren für die Modellierung der Beziehung zwischen dem Impuls des W-Bosons und dem Myon, in das es zerfällt, verantwortlich. Dabei haben sie eng mit dem DESY-Theoretiker Frank Tackmann zusammengearbeitet.

Die am LHC erzeugten W-Bosonen zerfallen fast sofort in ein Myon und ein Neutrino. Myonen werden vom CMS-Detektor nachgewiesen, aber die Neutrinos sind für den Detektor unsichtbar. Das macht diese Messung so kompliziert. Könnten sowohl Myonen als auch Neutrinos nachgewiesen werden, ließe sich die Masse des W-Bosons direkt aus der Energie und der Flugrichtung der Teilchen bestimmen, wie es beispielsweise beim Higgs-Boson der Fall ist. Um diese Herausforderung zu meistern, untersuchen die Forschenden den Impuls des Myons und leiten daraus den Wert der Masse des W-Bosons mit sehr hoher Genauigkeit ab.

Die endgültige Genauigkeit der Messung hängt von zwei Faktoren ab: Erstens vom speziellen Hochleistungs-Algorithmus des CMS-Detektors zur Rekonstruktion der Kinematik des Myons. Wenn die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kinematik der Myonen kennen, die aus den Zerfällen von W-Bosonen hervorgehen, können sie Rückschlüsse auf die Kinematik des W-Bosons ziehen, was wiederum mehr über dessen Masse aussagt.

Zweitens nutzten die Forschungsteams die neuesten und besten Erkenntnisse aus Theorie und experimentellen Techniken. Die Standardmethode zur Messung der W-Masse bestand bisher darin, extrem präzise Messungen des Z-Bosons als eine Art Kontrollkanal zu verwenden, um die Kinematik des W-Bosons genau vorherzusagen. Der Theoretiker Frank Tackmann und sein im Rahmen des ERC-Konsolidierungsprogramms gefördertes Team haben eine Methode entwickelt, die die CMS-Messung (und möglicherweise auch alle künftigen Messungen) unabhängig vom Z-Boson macht. „Das Problem war immer, das Z mit dem W genau in Beziehung zu setzen“, sagt Tackmann. Die neue Methode beruht auf der gleichzeitigen Anwendung von zehn verschiedenen Theorieparametern und liefert robuste und parametrisierte theoretische Unsicherheiten, die für die korrekte Interpretation der Daten entscheidend sind. „Die Durchführung dieser hochmodernen theoretischen Berechnungen und die Zusammenstellung aller Teile war eine große Aufgabe“, fügt Simone Amoroso hinzu.

„Dieses neue CMS-Ergebnis, das mit den Vorhersagen des Standardmodells punktgenau übereinstimmt, ist nicht nur ein weiterer Beweis für die Robustheit des Standardmodells“, sagt Tackmann. „Es erhöht auch unsere Gesamtempfindlichkeit für Physik, die möglicherweise jenseits des Standardmodells liegt.“

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Pressemeldung vom CERN (auf englisch)
https://home.cern/news/press-release/physics/cms-experiment-cern-weighs-w-boson-mass

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Quelle: JGU 23. März 2023.

23. März 2023 – Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das 1983 am CERN entdeckt wurde und das für die Vermittlung der sogenannten schwachen Wechselwirkung verantwortlich ist. Die Bestimmung seiner Masse ist von besonderer Bedeutung, etwa als präziser Test für die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik. Nach einer ersten Bestimmung und Veröffentlichung der Masse im Jahr 2017, hat die ATLAS Kollaboration jetzt ein neues Ergebnis für diese Masse vorgelegt. Das vorläufige Resultat wurde heute von Prof. Matthias Schott, Experimentalphysiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) im Rahmen des „57. Rencontres de Moriond“, einer der bedeutendsten Konferenzen für Teilchenphysik, vorgestellt.

Neue W-Boson Masse ist Ergebnis einer Neuanalyse
Im Ergebnis beträgt die Masse des W-Bosons 80360 Megaelektronenvolt (MeV) mit einer Unsicherheit von 16 MeV. Sie basiert auf einer Neuanalyse von 14 Millionen W-Boson-Kandidaten, die bereits 2011 in Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN aufgezeichnet wurden. Sie stimmt mit der Erwartung des Standardmodels der Teilchenphysik überein und steht damit im direkten Widerspruch zur jüngsten Messung des CDF-Experiments am Tevatron, welches im Frühjahr 2022 für großes Aufsehen sorgte.

Die theoretische Vorhersage der Masse des W-Bosons im Rahmen des Standardmodells beträgt 80354 MeV, mit einer Unsicherheit von 7 MeV. Sie steht in engem Zusammenhang mit der Stärke der elektroschwachen Kopplungen und den Massen der schwersten Elementarteilchen, darunter das Z-Boson, das Top-Quark und das Higgs-Boson. In Theorien, die das Standardmodell erweitern, ist die Masse des Teilchens jedoch auch mit zusätzlichen, noch unbekannten Teilchen oder Wechselwirkungen verbunden. Die Messung der Masse des W-Bosons ist daher ein wichtiger Test des Standardmodells und eine Abweichung zwischen Theorie und Experiment könnte auf neue Physik hindeuten.

Erste Masse des W-Bosons in 2017 veröffentlicht
2017 veröffentlichte ATLAS seine erste Messung der Masse des W-Bosons, die anhand von Daten aus dem Jahr 2011 bestimmt wurde. Die Masse des W-Bosons betrug 80370 MeV, mit einer Unsicherheit von 19 MeV. Das Ergebnis stimmte schon damals gut mit der Vorhersage des Standardmodells und allen früheren experimentellen Ergebnissen überein.

Im letzten Jahr gab die CDF-Kollaboration am Fermilab eine noch präzisere Messung bekannt, die auf einer Analyse ihres gesamten am Tevatron gesammelten Datensatzes beruht. Das Ergebnis, 80434 MeV mit einer Unsicherheit von 9 MeV, weicht erheblich von der Vorhersage des Standardmodells und von den anderen experimentellen Ergebnissen ab, so dass weitere Messungen erforderlich sind, um die Ursache für diese Abweichung zu ermitteln.

In der neuen Studie analysierte ATLAS erneut die W-Bosonen-Stichprobe aus dem Jahr 2011 und verbesserte damit die Präzision seiner früheren Messung. Die neue Masse des W-Bosons, 80360 MeV mit einer Unsicherheit von 16 MeV, ist 10 MeV niedriger als das vorherige ATLAS-Ergebnis. Auch dieses Ergebnis steht im Einklang mit dem Standardmodell.

„Die Messung der W-Boson-Masse gehört zu den schwierigsten und anspruchsvollsten Messungen, die an Hadronen-Collidern durchgeführt werden. Sie erfordert eine äußerst präzise Kalibrierung der mit dem ATLAS-Detektor gemessenen Teilchenenergien und -impulse sowie eine sorgfältige Bewertung und ausgezeichnete Kontrolle der Modellierungsunsicherheiten“, sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Dieses aktualisierte Ergebnis ist ein strenger Test und bestätigt die Konsistenz unseres theoretischen Verständnisses der elektroschwachen Wechselwirkungen.“

Um es zu erzielen, verwendete die ATLAS Kollaboration eine signifikant verbesserte Analysemethode und berücksichtige zudem neue Erkenntnisse über die Struktur des Protons aus den vergangenen Jahren. Diesen neuen Ansatz verfolgte die Gruppe um Matthias Schott innerhalb des Mainzer Exzellenzclusters PRISMA+ seit vielen Jahren und er konnte nun zum vorläufigen Abschluss gebracht werden. „Ich bin mehr als glücklich nach so vielen Jahren dieses Ergebnis nun präsentieren zu können“, erklärt Matthias Schott. „Aber nun steht für uns schon die Analyse von speziellen Datensätzen an, welche wir im Jahr 2018 aufgezeichnet haben. Diese werden uns helfen, herauszufinden, warum die CDF-Messung von allen anderen Messungen abweicht.“

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