ATLAS giver første måling af W-boson-bredden ved LHC

Opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012 ramte den sidste manglende brik i Standard Model-puslespillet. Alligevel efterlod det dvælende spørgsmål. Hvad ligger uden for denne ramme? Hvor er de nye fænomener, der ville løse universets tilbageværende mysterier, såsom naturen af ​​mørkt stof og oprindelsen af ​​stof-antistof-asymmetri?

En parameter, der kan indeholde spor om nye fysikfænomener, er "bredden" af W-bosonen, den elektrisk ladede bærer af den svage kraft. En partikels bredde er direkte relateret til dens levetid og beskriver, hvordan den henfalder til andre partikler. Hvis W-bosonen henfalder på uventede måder, såsom i endnu ikke-opdagede nye partikler, vil disse påvirke den målte bredde.

Da standardmodellen præcist forudsiger dens værdi baseret på styrken af ​​den ladede svage kraft og massen af ​​W-bosonen (sammen med mindre kvanteeffekter), ville enhver væsentlig afvigelse fra forudsigelsen indikere tilstedeværelsen af ​​uovervejede fænomener.

I en ny undersøgelse offentliggjort på arXiv preprint-server, målte ATLAS-samarbejdet W-boson-bredden ved Large Hadron Collider (LHC) for første gang. W-bosonbredden var tidligere blevet målt ved CERNs Large Electron-Positron (LEP) kollider og Fermilabs Tevatron kollider, hvilket gav en gennemsnitsværdi på 2085 ± 42 millioner elektronvolt (MeV), i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelse på 2088 ± 1 MeV .

Ved at bruge proton-proton kollisionsdata ved en energi på 7 TeV indsamlet under kørsel 1 af LHC, målte ATLAS W-bosonbredden til 2202 ± 47 MeV. Dette er den mest præcise måling til dato foretaget af et enkelt eksperiment, og - selvom den er en smule større - er den i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelse inden for 2,5 standardafvigelser (se figur nedenfor).

Dette bemærkelsesværdige resultat blev opnået ved at udføre en detaljeret partikel-momentum-analyse af henfald af W-bosonen til en elektron eller en myon og deres tilsvarende neutrino, som forbliver uopdaget, men efterlader en signatur af manglende energi i kollisionshændelsen (se billedet ovenfor). Dette krævede, at fysikere præcist kalibrerede ATLAS-detektorens reaktion på disse partikler med hensyn til effektivitet, energi og momentum, idet der tages højde for bidrag fra baggrundsprocesser.

Men at opnå en så høj præcision kræver også sammenløbet af flere højpræcisionsresultater. For eksempel var en nøjagtig forståelse af W-boson-produktion i proton-proton-kollisioner afgørende, og forskere stolede på en kombination af teoretiske forudsigelser valideret af forskellige målinger af W- og Z-bosonegenskaber.

Også afgørende for denne måling er viden om protonens indre struktur, som er beskrevet i partonfordelingsfunktioner. ATLAS-fysikere inkorporerede og testede parton-fordelingsfunktioner udledt af globale forskergrupper fra fits-data fra en lang række partikelfysiske eksperimenter.

ATLAS-samarbejdet målte W-boson-bredden samtidig med W-boson-massen ved hjælp af en statistisk metode, der gjorde det muligt at begrænse en del af parametrene, der kvantificerede usikkerheder, direkte fra de målte data, og dermed forbedre målingens præcision.

Den opdaterede måling af W-bosonmassen er 80367 ± 16 MeV, hvilket forbedrer og erstatter den tidligere ATLAS-måling ved brug af det samme datasæt. De målte værdier af både massen og bredden er i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser.

Fremtidige målinger af W-boson-bredden og -massen ved brug af større ATLAS-datasæt forventes at reducere de statistiske og eksperimentelle usikkerheder. Samtidig vil fremskridt inden for teoretiske forudsigelser og en mere raffineret forståelse af partons distributionsfunktioner bidrage til at reducere de teoretiske usikkerheder. Efterhånden som deres målinger bliver stadig mere præcise, vil fysikere være i stand til at udføre endnu mere stringente tests af standardmodellen og sonde for nye partikler og kræfter.

Flere oplysninger: ATLAS-samarbejde, Måling af W-bosonmassen og -bredden med ATLAS-detektoren ved hjælp af proton-proton-kollisioner ved s√ =7 TeV, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.15085

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af CERN