Was hat es mit der Masse des W-Bosons auf sich?

Duke-Physikprofessor Ashutosh Kotwal fordert seine Schüler immer auf, Problemstellungen selbstständig durchzuarbeiten, bevor sie sich mit Klassenkameraden beraten.

„Wenn man von Anfang an zu viel miteinander diskutiert, kann es passieren, dass man die Gedanken anderer reproduziert“, sagt er. „Machen Sie Ihr Bestes und sehen Sie, wie weit Sie gehen können. Wenn Sie am Ende angelangt sind, dann – und erst dann – setzen Sie sich mit Ihren Kollegen zusammen und vergleichen Sie.“

Als Forscher wenden Kotwal und seine Kollegen dieselbe Methodik an. Unabhängige Wissenschaftlerteams gehen die gleichen grundlegenden Probleme mit unterschiedlichen Detektoren und Techniken an. Erst nach der Messung vergleichen die Physiker ihre Methodik und Ergebnisse mit denen anderer Experimente.

Aber anders als bei Kotwals Schülern steht die richtige Antwort nicht am Ende eines Buches.

„Wir suchen mit so viel Strenge wie möglich nach den Fakten“, sagt Kotwal. „Ich denke, dass die Aufregung, etwas herauszufinden, fast so groß ist wie die Antwort darauf.“

Kotwal arbeitet am CDF-Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums. In den letzten 27 Jahren haben er und seine Kollegen daran gearbeitet, die Masse des W-Bosons zu messen, eines fundamentalen Teilchens, das für Kernfusion und -zerfall verantwortlich ist. Ihre jüngste Messung veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Wissenschaft Im April.

Seit der Entdeckung des W-Bosons im Jahr 1983 haben Physiker an acht verschiedenen Experimenten seine Masse insgesamt zehnmal gemessen. Jedes andere Mal hat die Messung in den vom Standardmodell vorhergesagten Bereich gepasst. Aber dieses Mal war es zur Überraschung aller nicht der Fall; es kam höher als erwartet.

„Wir wussten, dass CDF daran arbeitet“, sagt Mika Vesterinen, Forscher an der University of Warwick. „Wir konnten aus ihrer vorherigen Messung im Jahr 2012 extrapolieren und erraten, wie hoch die Unsicherheit sein würde. Aber der zentrale Wert war ein kompletter Schock. Damit hatten wir nicht gerechnet.“

Theoretiker veröffentlichten sofort Dutzende von Artikeln, in denen sie spekulierten, welche neue Physik die Masse des W-Bosons verstärken könnte. „Das stimmt nicht mit der Theorie überein, also muss etwas nicht stimmen“, sagt Matthias Schott, Experimentalphysiker und Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. „Entweder unsere Theorie ist falsch, oder die Messung ist falsch.“

Ein Balanceakt

In der Astronomie beeinflussen sich die Massen und Bewegungen verschiedener Himmelskörper gegenseitig. Diese Verbindungen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Messungen, die sie kennen, zu verwenden, um diejenigen zu lösen, die sie nicht kennen. Störungen in der Umlaufbahn von Uranus ermöglichten es beispielsweise Wissenschaftlern, auf die Existenz von Neptun zu schließen, lange bevor sie ihn mit einem Teleskop sehen konnten.

Elementarteilchen nehmen an einem ähnlichen Balanceakt teil, dessen Regeln vom Standardmodell umrissen werden, der besten Beschreibung, die Wissenschaftler von der subatomaren Welt haben. Je besser Wissenschaftler ein Teilchen verstehen, desto besser können sie die Eigenschaften anderer abschätzen.

Schott erinnert sich, dass er dieses Prinzip bei seiner Arbeit als ATLAS-Stipendiat am CERN kurz vor dem Start des Large Hadron Collider angewendet hat. „Vor der Entdeckung des Higgs-Bosons haben wir die Masse des W-Bosons verwendet, um den Bereich einzuschränken, in dem sich das Higgs-Boson befinden könnte“, sagt Schott.

Nachdem das Higgs-Boson entdeckt wurde, ließen die Wissenschaftler die Gleichungen in umgekehrter Reihenfolge laufen, um die Masse des W-Bosons genauer vorherzusagen. „Als wir 2012 das Higgs entdeckten, veränderte es das Spiel“, sagt er. „Das Standardmodell kann die Masse des W-Bosons mit erstaunlicher Präzision vorhersagen. Man misst mehrere Größen – eine davon ist das Higgs-Boson – fügt sie in eine große Formel ein und erhält die vorhergesagte W-Boson-Masse.“

Stimmt die neue CDF-Messung, so Schott, dann muss in der Theorie etwas fehlen. „Das würde bedeuten, dass wir etwas in der Vorhersage vergessen haben“, sagt er. „Es müsste eine neue Physik geben.“

Wissenschaftler müssen jedoch noch mehr untersuchen, bevor sie davon ausgehen, dass dies der Fall ist. Während viele Messungen in der Physik aufeinandertreffen, ist es nicht ungewöhnlich, dass die Ergebnisse verschiedener Experimente nicht übereinstimmen.

Die Masse des W-Bosons war besonders rätselhaft, weil W-Bosonen notorisch schwer zu messen sind.

„Es war der Höhepunkt der CDF- und DZero-Programme.“

Das Beste vom Besten

Als Doktorandin am Fermilab Ende der 2000er Jahre war Vesterinen von der Komplexität der W-Boson-Massenmessungen fasziniert. „Es war der Höhepunkt der CDF- und DZero-Programme“, sagt Vesterinen. “Ich habe diese Messungen mit Ehrfurcht betrachtet.”

Ein Jahrzehnt später beschloss er, dieselbe Messung am LHCb-Experiment durchzuführen.

W-Bosonen sind, wie die meisten schweren Elementarteilchen, so kurzlebig, dass Wissenschaftler sie niemals direkt sehen werden. Stattdessen erfassen Wissenschaftler die Zerfallsprodukte des W-Bosons und messen ihre Impulse.

„Wir wissen aus Newtons drittem Gesetz, dass der Impuls des ursprünglichen Teilchens gleich dem Impuls der anderen Teilchen sein muss, in die es zerfällt“, sagt Kotwal.

Wissenschaftler kennen bereits die Masse der Zerfallsprodukte, sodass sie durch Anwendung der Theoreme der Energie- und Impulserhaltung die Masse des Ausgangsteilchens ermitteln können, indem sie die Energie und Flugbahn der Sekundärteilchen messen.

Was die W-Boson-Massenmessung so schwierig macht, ist, dass nur die Hälfte der Nebenprodukte sichtbar ist. „W-Bosonen zerfallen in ein Neutrino, begleitet von einem Elektron oder einem Myon“, sagt Kotwal. „Neutrinos können wir nicht messen. Das wirft sofort einen enormen Schraubenschlüssel auf.“

Neutrinos sind gespenstische Teilchen, die selten mit gewöhnlicher Materie interagieren. Ein Neutrino von einem W-Boson in einem Collider-Detektor zu sehen, ist physikalisch unmöglich.

„In der High School Algebra lernen wir, dass das Lösen einer Gleichung mit zwei Unbekannten nicht möglich ist“, sagt Kotwal. „Der Versuch, die Impulse der W-Bosonen herauszufinden, bevor sie zerfallen, ist nicht trivial.“

Wie sie es gemacht haben

Da die Hälfte der W-Boson-Zerfallsprodukte unsichtbar sind, mussten die Wissenschaftler sicherstellen, dass das, was sie messen konnten, so genau wie möglich war. Laut Kotwal ist eine Messung nur so gut wie Ihre Werkzeuge.

„Wenn ich versuche, Ihre Größe mit einem Zollstock zu messen, könnte ich vielleicht auf den Millimeter genau herunterkommen“, sagt er. „Aber woher weiß ich, ob mein Maßstab genau ist?“

Bevor sie die W-Boson-Massenmessung versuchten, kalibrierten Kotwal und seine Kollegen ihren Detektor, indem sie die Grundlagen noch einmal durchgingen. Sie maßen erneut die Masse eines Teilchens, das sie bereits sehr gut kannten: das 1974 entdeckte J/psi-Teilchen, das aus zwei gebundenen Charm-Quarks besteht. Nachdem sie die J/psi-Masse erneut bestätigt hatten, verwendeten sie sie, um die Masse eines anderen gut verstandenen zusammengesetzten Teilchens, des Ypsilon, das aus zwei gebundenen Bottom-Quarks besteht, erneut zu messen. Schließlich verwendeten sie beide Messungen, um die Masse des Z-Bosons, eines engen Verwandten des W-Bosons, erneut zu messen.

„Wir haben das erste verwendet, um das zweite zu erhalten, dann das erste und das zweite, um das dritte zu erhalten, und schließlich alle drei, um die W-Boson-Masse zu erhalten“, sagt Kotwal. „Auf diese Weise werden Konsistenz- und Genauigkeitsprüfungen eingebaut. Es zwingt Sie, jeden Schritt genau zu prüfen.“

Jedes kleine Detail zählt, sagt Vesterinen. „Wenn wir zum Beispiel den LHCb-Detektor um die Breite eines menschlichen Haares verschieben würden, würden wir die Masse des W-Bosons um 50 verschieben [million electronvolts].“

Neben der Kalibrierung des Detektors mussten die Wissenschaftler herausfinden, was passiert, wenn die W-Bosonen in ihrem Collider produziert werden.

„W-Bosonen entstehen bei der Kollision von Quarks und Antiquarks“, sagt Kotwal. „Diese bewegen sich sehr schnell, und so bewegt sich jedes W-Boson sehr schnell. Wir mussten herausfinden, wie schnell es sich bewegte und in welche Richtung. Dies ist der Kern all der zusätzlichen Komplikationen, die sich zeigen.“

Um abzuschätzen, wie schnell sich jedes W-Boson vor seinem Zerfall bewegte, nutzten die Wissenschaftler alle verfügbaren Informationen über den Beschleuniger, die Struktur des Protons (und des Antiprotons), die Kollisionstheorie und zahlreiche andere Messungen ihres Detektors. Auf diese Weise konnten sie die Geschwindigkeiten der W-Bosonen von außen nach innen heranzoomen.

Die ganze Arbeit hat sich gelohnt: Die neue CDF-Messung ist die bisher präziseste Messung des W-Bosons. „Die neue Messung mit CDF ist wirklich spektakulär in Sachen Präzision“, sagt Schott. „Aus Sicht der Kalibrierung ist es wirklich schön.“

Jedoch, meistens richtig bedeutet nicht unbedingt meistens richtig. Vesterinen vergleicht es mit dem Werfen von Körben im Basketball. „Hohe Präzision bedeutet, dass Sie den Ball immer an die gleiche Stelle werfen“, sagt Vesterinen. „Aber du könntest trotzdem das Netz verfehlen.“

Bevor die Gesetze der Physik neu geschrieben werden, sucht die wissenschaftliche Gemeinschaft nach alternativen Erklärungen dafür, warum diese neue Messung so anders ist als das, was das Standardmodell vorhersagt.

Illustration von Terrinen mit unterschiedlichen W-Boson-Messungen

Illustration von Sandbox Studio, Chicago mit Olena Shmahalo

Erfolgsrezept

Keine zwei der 10 Messungen, die Wissenschaftler an der Masse des W-Bosons vorgenommen haben, waren gleich. Das überrascht Kotwal nicht, der das Messen der Masse eines Teilchens mit dem Kochen seines Lieblingsgerichts, dem roten Thai-Curry, vergleicht.

„Es gibt genau die richtige Menge an Gewürzen und frischem Gemüse“, sagt er. „Aber jedes Restaurant macht es etwas anders.“

Auch wenn die Inhaltsstoffe und Grundprinzipien gleich sind, können sich kleine Unterschiede zu auffälligen Abweichungen summieren. „Es könnte sein, dass ein Restaurant seinen Ingwer von diesem Feld und ein anderes Restaurant seinen Ingwer von diesem anderen Feld mit etwas anderem Boden hat. Was ist der beste Ingwer?“ sagt Kotwal. „So ist es mit der Physik, außer für uns ist es nicht subjektiv – es gibt eine richtige Antwort.“

Laut Vesterinen besteht der nächste Schritt darin, die Inhaltsstoffe zu untersuchen, die in die CDF-Analyse eingeflossen sind, und dann zu sehen, was aus dem LHC herauskommt.

„Das lässt sich kurzfristig nicht lösen“, sagt Vesterinen. „Die Leute, die an CDF arbeiten, haben enorme Anstrengungen gekostet, um dieses neue Ergebnis zu erzielen. Die Messung der Masse des W-Bosons hat am LHC sicherlich Priorität.“

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