Den mest præcise måling af W-bosonmasse nogensinde tyder på, at standardmodellen skal forbedres

Efter 10 års omhyggelig analyse og granskning meddelte forskere fra CDF-samarbejdet ved det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory i dag, at de har opnået den mest præcise måling til dato af massen af ​​W-bosonen, en af ​​naturens kraftbærende partikler. Ved hjælp af data indsamlet af Collider Detector på Fermilab, eller CDF, har forskere nu bestemt partiklens masse med en præcision på 0,01 % - dobbelt så præcis som den tidligere bedste måling. Det svarer til at måle vægten af ​​en 800-punds gorilla til 1,5 ounce.

Den nye præcisionsmåling, offentliggjort i tidsskriftet Science , giver videnskabsfolk mulighed for at teste standardmodellen for partikelfysik, den teoretiske ramme, der beskriver naturen på dens mest fundamentale niveau. Resultatet:Den nye masseværdi viser spænding med den værdi, forskerne opnår ved at bruge eksperimentelle og teoretiske input i forbindelse med standardmodellen.

"Antallet af forbedringer og ekstra kontrol, der gik ind i vores resultat, er enormt," sagde Ashutosh V. Kotwal fra Duke University, der ledede denne analyse og er en af ​​de 400 videnskabsmænd i CDF-samarbejdet. "Vi tog hensyn til vores forbedrede forståelse af vores partikeldetektor samt fremskridt i den teoretiske og eksperimentelle forståelse af W-bosonens interaktioner med andre partikler. Da vi endelig afslørede resultatet, fandt vi ud af, at det adskilte sig fra standardmodellens forudsigelse."

Hvis den bekræftes, antyder denne måling det potentielle behov for forbedringer af standardmodelberegningen eller udvidelser af modellen.

Den nye værdi er i overensstemmelse med mange tidligere W-bosonmassemålinger, men der er også nogle uenigheder. Fremtidige målinger vil være nødvendige for at kaste mere lys over resultatet.

"Selvom dette er et spændende resultat, skal målingen bekræftes af et andet eksperiment, før det kan fortolkes fuldt ud," sagde Fermilabs vicedirektør Joe Lykken.

W-bosonen er en budbringerpartikel af den svage kernekraft. Den er ansvarlig for de nukleare processer, der får solen til at skinne og partikler henfalde. Ved at bruge højenergipartikelkollisioner produceret af Tevatron-kollideren ved Fermilab indsamlede CDF-samarbejdet enorme mængder data indeholdende W-bosoner fra 1985 til 2011.

CDF-fysiker Chris Hays fra University of Oxford sagde:"CDF-målingen blev udført i løbet af mange år, med den målte værdi skjult fra analysatorerne, indtil procedurerne blev nøje undersøgt. Da vi afslørede værdien, var det en overraskelse. "

Massen af ​​en W-boson er cirka 80 gange massen af ​​en proton eller cirka 80.000 MeV/c ² . CDF-forskere har arbejdet på at opnå stadig mere præcise målinger af W-bosonmassen i mere end 20 år. Den centrale værdi og usikkerhed for deres seneste massemåling er 80.433 +/- 9 MeV/c ² . Dette resultat bruger hele datasættet indsamlet fra Tevatron-kollideren ved Fermilab. Den er baseret på observation af 4,2 millioner W-bosonkandidater, cirka fire gange så mange som brugt i analysen, som samarbejdet offentliggjorde i 2012.

"Mange kollider-eksperimenter har produceret målinger af W-bosonmassen i løbet af de sidste 40 år," sagde CDF-medtalsmand Giorgio Chiarelli, det italienske nationale institut for kernefysik (INFN-Pisa). "Det er udfordrende, komplicerede målinger, og de har opnået stadig mere præcision. Det tog os mange år at gennemgå alle detaljerne og de nødvendige kontroller. Det er vores mest robuste måling til dato, og uoverensstemmelsen mellem de målte og forventede værdier. fortsætter."

Samarbejdet sammenlignede også deres resultat med den bedste forventede værdi for W-bosonmassen ved brug af standardmodellen, som er 80.357 ± 6 MeV/c ² . Denne værdi er baseret på komplekse standardmodelberegninger, der på indviklet måde forbinder massen af ​​W-bosonen med målingerne af masserne af to andre partikler:topkvarken, opdaget ved Tevatron-kollideren ved Fermilab i 1995, og Higgs-bosonen, opdaget kl. Large Hadron Collider ved CERN i 2012.

CDF medtalsmand David Toback, Texas A&M, udtalte, at resultatet er et vigtigt bidrag til at teste nøjagtigheden af ​​standardmodellen. "Det er nu op til det teoretiske fysiksamfund og andre eksperimenter at følge op på dette og kaste lys over dette mysterium," tilføjede han. "Hvis forskellen mellem den eksperimentelle og forventede værdi skyldes en form for ny partikel eller subatomær interaktion, som er en af ​​mulighederne, er der en god chance for, at det er noget, der kan blive opdaget i fremtidige eksperimenter." + Udforsk yderligere

Indsigt i Higgs-bosonens interaktion med charmekvarken