Upptäckten av Higgs-bosonen 2012 fick in den sista saknade biten i standardmodellpusslet. Ändå lämnade det kvardröjande frågor. Vad ligger utanför denna ram? Var finns de nya fenomenen som skulle lösa universums återstående mysterier, som mörk materias natur och ursprunget till asymmetri mellan materia och antimateria?
En parameter som kan hålla ledtrådar om nya fysikfenomen är "bredden" på W-bosonen, den elektriskt laddade bäraren av den svaga kraften. En partikels bredd är direkt relaterad till dess livslängd och beskriver hur den sönderfaller till andra partiklar. Om W-bosonen sönderfaller på oväntade sätt, till exempel till nya partiklar som ännu inte har upptäckts, kommer dessa att påverka den uppmätta bredden.
Eftersom standardmodellen exakt förutsäger dess värde baserat på styrkan hos den laddade svaga kraften och massan av W-bosonen (tillsammans med mindre kvanteffekter), skulle varje betydande avvikelse från förutsägelsen indikera närvaron av okända fenomen.
I en ny studie publicerad på arXiv preprint-server, mätte ATLAS-samarbetet W-bosonbredden vid Large Hadron Collider (LHC) för första gången. W-bosonbredden hade tidigare uppmätts vid CERNs Large Electron-Positron (LEP) kolliderare och Fermilabs Tevatron-kolliderare, vilket gav ett medelvärde på 2085 ± 42 miljoner elektronvolt (MeV), i överensstämmelse med standardmodellens förutsägelse av 2088 ± 1 MeV .
Med hjälp av proton-protonkollisionsdata vid en energi på 7 TeV som samlats in under körning 1 av LHC, mätte ATLAS W-bosonbredden som 2202 ± 47 MeV. Detta är den mest exakta mätningen hittills gjord av ett enda experiment, och – även om den är lite större – överensstämmer den med standardmodellens förutsägelse inom 2,5 standardavvikelser (se figuren nedan).
Detta anmärkningsvärda resultat uppnåddes genom att utföra en detaljerad partikelmomentumanalys av sönderfall av W-bosonen till en elektron eller en myon och deras motsvarande neutrino, som inte upptäcks men lämnar en signatur av saknad energi i kollisionshändelsen (se bilden ovan). Detta krävde fysiker att exakt kalibrera ATLAS-detektorns svar på dessa partiklar i termer av effektivitet, energi och momentum, med hänsyn till bidrag från bakgrundsprocesser.
Men för att uppnå en så hög precision krävs också sammanflödet av flera högprecisionsresultat. Till exempel var en korrekt förståelse av W-bosonproduktionen i proton-protonkollisioner avgörande, och forskare förlitade sig på en kombination av teoretiska förutsägelser validerade genom olika mätningar av W- och Z-bosonegenskaper.
Avgörande för denna mätning är också kunskapen om protonens inre struktur, vilket beskrivs i partonfördelningsfunktioner. ATLAS-fysiker inkorporerade och testade parton-distributionsfunktioner som härleddes av globala forskargrupper från passningsdata från ett brett spektrum av partikelfysikexperiment.
ATLAS-samarbetet mätte W-bosonbredden samtidigt med W-bosonmassan med hjälp av en statistisk metod som gjorde att delar av parametrarna som kvantifierar osäkerheter kunde begränsas direkt från de uppmätta data, vilket förbättrade mätningens precision.
Den uppdaterade mätningen av W-bosonmassan är 80367 ± 16 MeV, vilket förbättrar och ersätter den tidigare ATLAS-mätningen med samma datauppsättning. De uppmätta värdena för både massan och bredden överensstämmer med standardmodellens förutsägelser.
Framtida mätningar av W-bosons bredd och massa med hjälp av större ATLAS-datauppsättningar förväntas minska de statistiska och experimentella osäkerheterna. Samtidigt kommer framsteg inom teoretiska förutsägelser och en mer förfinad förståelse av partons fördelningsfunktioner att bidra till att minska de teoretiska osäkerheterna. När deras mätningar blir allt mer exakta kommer fysiker att kunna genomföra ännu strängare tester av standardmodellen och söka efter nya partiklar och krafter.
Mer information: ATLAS-samarbete, Mätning av W-bosonmassan och -bredden med ATLAS-detektorn med hjälp av proton-protonkollisioner vid s√ =7 TeV, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2403.15085
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av CERN
