Förra veckan, vid den årliga Rencontres de Moriond-konferensen, presenterade CMS-samarbetet ett mått på den effektiva leptoniska elektrosvaga blandningsvinkeln. Resultatet är den mest exakta mätningen som gjorts vid en hadronkolliderare hittills och stämmer väl överens med förutsägelsen från standardmodellen.
Standardmodellen för partikelfysik är den mest exakta beskrivningen hittills av partiklar och deras interaktioner. Exakta mätningar av dess parametrar, i kombination med exakta teoretiska beräkningar, ger spektakulär prediktiv kraft som gör att fenomen kan bestämmas redan innan de direkt observeras.
På detta sätt begränsade modellen framgångsrikt massorna av W- och Z-bosonerna (upptäcktes vid CERN 1983), av toppkvarken (upptäcktes vid Fermilab 1995) och, senast, av Higgs-bosonen (upptäcktes vid CERN 2012) ). När dessa partiklar väl hade upptäckts blev dessa förutsägelser konsistenskontroller för modellen, vilket gjorde det möjligt för fysiker att utforska gränserna för teorins giltighet.
Samtidigt är precisionsmätningar av egenskaperna hos dessa partiklar ett kraftfullt verktyg för att söka efter nya fenomen bortom Standardmodellen – så kallad "ny fysik" – eftersom nya fenomen skulle visa sig som avvikelser mellan olika uppmätta och beräknade storheter.
Den elektrosvaga blandningsvinkeln är ett nyckelelement i dessa konsistenskontroller. Det är en grundläggande parameter i standardmodellen, som avgör hur den enhetliga elektrosvaga interaktionen gav upphov till de elektromagnetiska och svaga interaktionerna genom en process som kallas elektrosvag symmetribrytning. Samtidigt binder det matematiskt samman massorna av W- och Z-bosonerna som överför den svaga interaktionen. Så, mätningar av W, Z eller blandningsvinkeln ger en bra experimentell korskontroll av modellen.
De två mest exakta mätningarna av den svaga blandningsvinkeln utfördes av experiment vid CERN LEP collider och av SLD-experimentet vid Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Värdena stämmer inte överens med varandra, vilket hade förbryllat fysiker i över ett decennium. Det nya resultatet överensstämmer väl med standardmodellens förutsägelse och är ett steg mot att lösa avvikelsen mellan den senare och LEP- och SLD-mätningarna.
"Detta resultat visar att precisionsfysik kan utföras vid hadronkolliderare", säger Patricia McBride, CMS talesman. "Analysen var tvungen att hantera den utmanande miljön i LHC Run 2, med ett genomsnitt på 35 samtidiga proton-proton-kollisioner. Detta banar väg för mer precisionsfysik vid High-Luminosity LHC, där fem gånger fler protonpar kommer att kollidera samtidigt ."
Precisionstester av standardmodellens parametrar är arvet från elektron-positronkolliderare, såsom CERNs LEP, som fungerade fram till år 2000 i tunneln som nu inrymmer LHC. Elektron-positronkollisioner ger en perfekt ren miljö för sådana högprecisionsmätningar.
Proton-protonkollisioner i LHC är mer utmanande för den här typen av studier, även om ATLAS-, CMS- och LHCb-experimenten redan har gett en uppsjö av nya ultraexakta mätningar. Utmaningen beror främst på enorma bakgrunder från andra fysikprocesser än den som studeras och på det faktum att protoner, till skillnad från elektroner, inte är elementarpartiklar.
För detta nya resultat verkade det som en omöjlig uppgift att nå en precision som liknar den för en elektron-positronkolliderare, men den har nu uppnåtts.
Mätningen som presenteras av CMS använder ett urval av proton-protonkollisioner insamlade från 2016 till 2018 vid en masscentrumenergi på 13 TeV och motsvarande en total integrerad ljusstyrka på 137 fb −1 , vilket betyder cirka 11 000 miljoner miljoner kollisioner.
Blandningsvinkeln erhålls genom en analys av vinkelfördelningar vid kollisioner där elektronpar eller myoner produceras. Detta är den mest exakta mätningen som har gjorts vid en hadronkolliderare hittills, förbättrad jämfört med tidigare mätningar från ATLAS, CMS och LHCb.
Tillhandahålls av CERN
