De massa van het W-bosondeeltje werd gevonden door Grote Hadron-botser Om precies te zijn wat het is Standaard formulier Deeltjesfysici verwachten dat dit het geval is, wat in tegenspraak is met eerdere resultaten van Fermilab die duidden op de aanwezigheid van een andere massa, en dus op de mogelijkheid van nieuwe natuurkunde.
Hoewel deze ontdekking het Standaardmodel bevestigt als de beste weergave van de deeltjeswereld, hadden wetenschappers gehoopt dat hun model feitelijk verkeerd was, en dat de discrepantie in de massa van het W-deeltje de weg zou kunnen wijzen naar nieuwe theorieën die mysteries zoals de identiteit van deeltjes. Donkere materiedat 85% van alle materie vertegenwoordigt universum Maar voor ons blijven ze vrijwel onzichtbaar.
Bosonen Het zijn fundamentele deeltjes die vervoeren Krachten van de natuur. de Sterke kracht Wat verbindt Quarks Samen naar binnen Protonen En Neutronen Het wordt gedragen door een boson genaamd GluonHet elektromagnetische krachtboson is een foton, en de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor radioactief verval, heeft drie bosonen: W+, W– en het Z-boson.
Het meten van de massa van deze deeltjes is moeilijk, omdat ze een ongelooflijk kortstondig bestaan hebben voordat ze vervallen in andere deeltjes. Natuurkundigen creëren dus in hun uiterste best eerst bosonen door in botsing te komen met bundels protonen die zich met een snelheid van bijna de lichtsnelheid voortbewegen. Snelheid van het licht In een deeltjesversneller. In de LHC botsen protonen bijvoorbeeld met een totale energie van 13 biljoen elektronvolt (eV). Bij botsing worden de protonen gedwongen te vervallen in andere deeltjes, waarvan sommige bosonen zijn (zo worden deeltjes gevormd). Higgs-deeltje(Het Higgsveld, dat bijna alles bij elkaar houdt en alles zijn massa geeft, werd ontdekt bij de Large Hadron Collider.) Dan vervallen de bosonen zelf ook, en hun massa kan het beste worden gemeten door de massa’s van alle deeltjes te combineren die door de rottende bosonen worden geproduceerd.
Gerelateerd aan: Hoe de opvolger van de Large Hadron Collider op zoek gaat naar het donkere heelal
Bosonen vervallen in deeltjes die leptonen (of anti-leptonen) worden genoemd en die… Elektronenmuonen of taudeeltjes (een lepton wordt gedefinieerd door een spin van een half geheel getal, d.w.z. 1/2 of 3/2). Het Z-boson vervalt in twee andere deeltjes, muonen genaamd, die relatief eenvoudig te meten zijn. Dit is de reden waarom de Z-bosonmassa algemeen bekend is, met een waarde van 91.187,6 MeV en een foutmarge van ± 2,1 MeV.
W+ en W– bosonen vervallen echter ook in lepton (of antilepton). NeutrinoHier ligt het probleem.
Neutrino’s zijn uiterst kleine deeltjes die moeilijk te detecteren zijn en als geesten door detectoren kunnen gaan. Er stromen momenteel zelfs biljoenen neutrino’s door je lichaam, maar je kunt het niet weten. Daarom is er bij het IceCube Neutrino Observatory op Antarctica een kubieke kilometer ijs vermengd met fotomultiplicatorbuizen nodig om ze te detecteren. De LHC kan ook neutrino’s detecteren, maar heeft deze mogelijkheid pas onlangs verworven met twee detectoren, FASER (Forward Search Experiment) en SND (Scattering Neutrino Detector). De LHC kondigde in augustus 2023 de eerste neutrinodetecties aan.
Het Standaardmodel voorspelt dat de massa van de W+ en W– bosonen 80.357 MeV, ± 6 MeV, bedraagt, gebaseerd op een theorie die de elektromagnetische kracht en de zwakke kracht combineert, de zogenaamde ‘elektrozwakke theorie’. In 2022 bepaalden natuurkundigen die oude gegevens uit 2011 opnieuw analyseerden (geproduceerd door de Tevatron-deeltjesversneller van Fermilab in Illinois, VS) echter een W-bosonmassa van 80.433 MeV, ± 9 MeV. Hierdoor werd de W-bosonmassa uit het standaardmodelbereik gehaald. Als dit waar is, zou dit nieuwe natuurkunde impliceren, zoals ‘supersymmetrie’ (die stelt dat elk deeltje in het standaardmodel een extra, massievere tegenhanger heeft) en kwantumringzwaartekracht (die beschrijft hoe het weefsel van het universum uit kleine deeltjes kan bestaan). kwantumringen). Als gevolg hiervan is de natuurkundewereld erg enthousiast geworden over deze mogelijkheden.
Helaas was dat niet het geval.
In 2023 mat het ATLAS-experiment bij de LHC de massa van het W-deeltje op 80.360 MeV ± 16 MeV, wat al consistent is met het standaardmodel – maar gezien de interessante bevindingen van Fermilab bestond er bezorgdheid dat ATLAS een aantal niet-herkende systematische fouten bevat die van invloed zijn op zijn metingen.
Er zijn echter nieuwe metingen van de W-bosonmassa gedaan door het Compact Muon Solenoid (CMS)-experiment bij de LHC, die ook consistent zijn met het standaardmodel en een massa van 80.360,2 ± 9,9 MeV opleveren. Dit komt overeen met slechts 1,42 × 10^–25 kilogram.
“In wezen gebruikten we een schaal van 14.000 ton om het gewicht te meten van een deeltje met een massa van 1 x 10^–25 kg, of ongeveer 80 keer de massa van een proton.” stelling.
Veel natuurkundigen hadden natuurlijk gehoopt dat de massaparadox van het W-boson zou worden bewezen, omdat dit de deur zou openen naar nieuwe natuurkunde die nodig zou zijn om deze massaparadox te verklaren. Als we supersymmetrie als voorbeeld nemen, kan dit concept de weg wijzen naar het verklaren van donkere materie. De belangrijkste kandidaat voor donkere materie op dit moment is een soort deeltje dat WIMP wordt genoemd, wat staat voor Weakly Interacting Massive Particle – een zwak interactief massief deeltje dat perfect zou passen binnen de grenzen van supersymmetrie. Maar helaas zijn er nog geen supersymmetrische partners gevonden voor deeltjes in het Standaardmodel, en de theorie van supersymmetrie is verre van bewezen.
‘Iedereen hoopte dat we het buiten de theorie om konden meten, wat hoop zou wekken op nieuwe natuurkunde’, zegt Bakhtis. ‘Door te bevestigen dat de W-bosonmassa consistent is met de theorie, moeten we elders naar nieuwe natuurkunde zoeken.’ door ook het Higgsdeeltje met hoge precisie te bestuderen.”
Het bevestigen van de massa van het W-deeltje opent echter de deur naar andere dingen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om deze massameting te gebruiken om de sterkte van het Higgsveld beter te beoordelen, of om de elektrozwakke theorie beter te begrijpen. Deze ontwikkelingen zijn mogelijk vanwege de manier waarop het CMS de W-bosonmassa heeft gemeten: door de energie van de uitgezonden muonen te kalibreren met een foutmarge van slechts 0,01%, wat slechts 0,01% van de totale W-bosonmassa vertegenwoordigt. Verzoeken naar onmetelijkheid Nauwkeuriger dan eerder voor mogelijk werd gehouden.
“Dit nieuwe nauwkeurigheidsniveau zal ons in staat stellen kritische metingen, zoals die waarbij het W-, Z- en Higgs-deeltje betrokken zijn, met grotere precisie uit te voeren”, zegt promovendus Elisabetta Manca, die al acht jaar samen met Bakhtis aan dit project werkt.
Het standaardmodel wint dus opnieuw – maar nu kosmische mysteries zoals donkere materie in opkomst zijn, Donkere energie Zelfs de Hubble-spanning, iets in ons begrip van de natuurkunde, zal op een gegeven moment moeten breken om de weg voorwaarts voor de wereld van de natuurkunde te verlichten.
De resultaten worden beschreven op de website van CERN CMS-website.
