CMS-eksperiment på CERN måler en nøgleparameter i standardmodellen

I sidste uge, på den årlige Rencontres de Moriond-konference, præsenterede CMS-samarbejdet en måling af den effektive leptoniske elektrosvage blandingsvinkel. Resultatet er den mest præcise måling udført ved en hadron-kolliderer til dato og er i god overensstemmelse med forudsigelsen fra standardmodellen.

Standardmodellen for partikelfysik er den mest præcise beskrivelse til dato af partikler og deres interaktioner. Præcise målinger af dets parametre, kombineret med præcise teoretiske beregninger, giver spektakulær forudsigelseskraft, der gør det muligt at bestemme fænomener, selv før de er direkte observeret.

På denne måde begrænsede modellen med succes masserne af W- og Z-bosonerne (opdaget ved CERN i 1983), af topkvarken (opdaget ved Fermilab i 1995) og senest af Higgs-bosonen (opdaget på CERN i 2012) ). Når først disse partikler var blevet opdaget, blev disse forudsigelser konsistenstjek for modellen, hvilket gjorde det muligt for fysikere at udforske grænserne for teoriens gyldighed.

Samtidig er præcisionsmålinger af disse partiklers egenskaber et stærkt værktøj til at søge efter nye fænomener ud over Standardmodellen – såkaldt "ny fysik" – da nye fænomener ville vise sig som uoverensstemmelser mellem forskellige målte og beregnede størrelser.

Den elektrosvage blandingsvinkel er et nøgleelement i disse konsistenstjek. Det er en grundlæggende parameter i standardmodellen, der bestemmer, hvordan den forenede elektrosvage interaktion gav anledning til de elektromagnetiske og svage interaktioner gennem en proces kendt som elektrosvag symmetribrud. Samtidig binder det matematisk sammen masserne af W- og Z-bosonerne, der overfører den svage interaktion. Så målinger af W, Z eller blandingsvinklen giver en god eksperimentel krydstjek af modellen.

De to mest præcise målinger af den svage blandingsvinkel blev udført ved eksperimenter ved CERN LEP-kollideren og ved SLD-eksperimentet ved Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Værdierne er uenige med hinanden, hvilket havde undret fysikere i over et årti. Det nye resultat er i god overensstemmelse med standardmodellens forudsigelse og er et skridt i retning af at løse uoverensstemmelsen mellem sidstnævnte og LEP- og SLD-målingerne.

"Dette resultat viser, at præcisionsfysik kan udføres ved hadron-kollidere," siger Patricia McBride, CMS-talsmand. "Analysen skulle håndtere det udfordrende miljø i LHC Run 2, med et gennemsnit på 35 samtidige proton-proton-kollisioner. Dette baner vejen for mere præcisionsfysik på High-Luminosity LHC, hvor fem gange flere protonpar vil kollidere samtidigt ."

Præcisionstest af standardmodellens parametre er arven fra elektron-positron-kollidere, såsom CERNs LEP, som fungerede indtil år 2000 i den tunnel, der nu huser LHC. Elektron-positron-kollisioner giver et perfekt rent miljø til sådanne højpræcisionsmålinger.

Proton-proton-kollisioner i LHC er mere udfordrende for denne form for undersøgelser, selvom ATLAS-, CMS- og LHCb-eksperimenterne allerede har givet et væld af nye ultrapræcise målinger. Udfordringen skyldes primært enorme baggrunde fra andre fysikprocesser end den, der studeres, og det faktum, at protoner, i modsætning til elektroner, ikke er elementære partikler.

For dette nye resultat virkede det som en umulig opgave at opnå en præcision svarende til den for en elektron-positron-kollider, men den er nu opnået.

Målingen præsenteret af CMS bruger en prøve af proton-proton-kollisioner indsamlet fra 2016 til 2018 ved et massecenterenergi på 13 TeV og svarende til en samlet integreret lysstyrke på 137 fb ⁻¹ , hvilket betyder omkring 11.000 millioner millioner kollisioner.

Blandingsvinklen opnås gennem en analyse af vinkelfordelinger ved kollisioner, hvor der produceres elektronpar eller myoner. Dette er den mest præcise måling, der er udført ved en hadron-kolliderer til dato, og er forbedret i forhold til tidligere målinger fra ATLAS, CMS og LHCb.

Leveret af CERN