Teilchenphysik: Massebestimmung des W-Bosons stellt Standardmodell in Frage

So genau ist die Masse des W-Bosons noch nicht bestimmt worden. Der Wert ist aber nicht der, den das Standardmodell der Physik vorhergesagt hat.

Artikel veröffentlicht am 8. April 2022, 11:10 Uhr, Werner Pluta

Tevatron-Beschleuniger am Fermilab: Daten aus 26 Jahren ausgewertet (Bild: Fermilab)

Forscher haben Daten aus Teilchenkollisionen am US-Forschungszentrum Fermilab ausgewertet, um die Masse des W-Bosons zu bestimmen. Die Ergebnisse sind nicht im Einklang mit dem Standardmodell der Physik.

Die Kollaboration des Collider Detector at Fermilab (CDF) am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums wertete zehn Jahre lang Kollisionsdaten aus, die zwischen 1985 und 2011 gesammelt worden waren. Daraus bestimmten die 400 Wissenschaftler die Masse des Teilchens: Diese betrage 80.433 Megaelektronenvolt (MeV) (+/- 9 MeV), berichtete die Kollaboration in der Fachzeitschrift Science.

Das W-Boson ist ein Elementarteilchen, das die schwache Wechselwirkung vermittelt. Es wurde in den 1960-er Jahren theoretisch vorhergesagt und in den 1980-er Jahren experimentell am europäischen Kernforschungszentrum Cern nachgewiesen.

Das W-Boson war schwerer als vorhergesagt

Das Ergebnis der CDF-Kollaboration ist allerdings ein Problem für die Teilchenphysik: Laut der Messung ist das W-Boson schwerer als vom Standardmodell vorhergesagt. Danach sollte die Masse 80.357 MeV (+/- 6 MeV) betragen.

"Die Anzahl der Verbesserungen und zusätzlichen Überprüfungen, die in unser Ergebnis eingeflossen sind, ist enorm", sagte Ashutosh Kotwal, Teilchenphysiker an der Duke University und Leiter der Analyse."Wir haben unser verbessertes Verständnis unseres Teilchendetektors ebenso berücksichtigt wie Fortschritte im theoretischen und experimentellen Verständnis der Wechselwirkungen des W-Bosons mit anderen Teilchen. Als wir das Ergebnis schließlich enthüllten, stellten wir fest, dass es von der Vorhersage des Standardmodells abwich."

Die aktuelle Massebestimmung ist laut dem Fermilab bis auf 0,01 Prozent genau und damit deutlich präziser als bisherige Messungen. Allerdings müsse sie noch von einem anderen Experiment bestätigt werden, bevor sie vollständig interpretiert werden könne, sagte der stellvertretende Direktor des Fermilab, Joe Lykken.

Sollte die Messung Bestand haben, könnte sie eine Neuentdeckung bedeuten. Es sei gut möglich, dass der Unterschied zwischen dem erwarteten und dem experimentell ermittelten Wert auf ein neues Teilchen oder eine subatomare Wechselwirkung zurückzuführen sei, sagte CDF-Sprecher David Toback. "Es ist liegt nun an der Gemeinschaft der theoretischen Physiker und anderen Experimenten, dies weiterzuverfolgen und Licht in dieses Geheimnis zu bringen."