In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Europees fysiek tijdschrift C , de ATLAS-samenwerking rapporteert de eerste zeer nauwkeurige meting bij de Large Hadron Collider (LHC) van de massa van het W-boson. Dit is een van de twee elementaire deeltjes die de zwakke interactie bemiddelen - een van de krachten die het gedrag van materie in ons universum bepalen. Het gerapporteerde resultaat geeft een waarde van 80370 ± 19 MeV voor de W-massa, wat consistent is met de verwachting van het standaardmodel van deeltjesfysica, de theorie die bekende deeltjes en hun interacties beschrijft.

De meting is gebaseerd op ongeveer 14 miljoen W-bosonen geregistreerd in een enkel jaar (2011), toen de LHC draaide met een energie van 7 TeV. Het komt overeen met eerdere metingen verkregen bij LEP, de voorouder van de LHC bij CERN, en bij de Tevatron, een voormalige accelerator bij Fermilab in de Verenigde Staten, wiens gegevens het mogelijk maakten om deze meting de afgelopen 20 jaar voortdurend te verfijnen.

Het W-deeltje is een van de zwaarste bekende deeltjes in het heelal. De ontdekking in 1983 bekroonde het succes van CERN's Super proton-antiproton Synchrotron, wat leidde tot de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1984. Hoewel de eigenschappen van het W-deeltje al meer dan 30 jaar worden bestudeerd, het meten van de massa met hoge precisie blijft een grote uitdaging.

"Het is een grote uitdaging om zo'n nauwkeurige meting te bereiken ondanks de veeleisende omstandigheden die aanwezig zijn in een hadronversneller zoals de LHC, " zei de natuurkundecoördinator van de ATLAS-samenwerking, Tancredi Carli. "Het bereiken van een vergelijkbare precisie, zoals eerder verkregen bij andere versnellers, met slechts één jaar Run 1-gegevens is opmerkelijk. Het is een veelbelovende indicatie van ons vermogen om onze kennis van het standaardmodel te verbeteren en door middel van zeer nauwkeurige metingen naar tekenen van nieuwe fysica te zoeken."

Het Standaard Model is zeer krachtig in het voorspellen van het gedrag en bepaalde eigenschappen van de elementaire deeltjes en maakt het mogelijk om bepaalde parameters af te leiden uit andere bekende grootheden. De massa's van het W-deeltje, de top-quark en het Higgs-deeltje bijvoorbeeld, zijn verbonden door kwantumfysische relaties. Het is daarom erg belangrijk om de precisie van de massametingen van het W-boson te verbeteren om het Higgs-deeltje beter te begrijpen, het standaardmodel verfijnen en de algehele consistentie ervan testen.

Opmerkelijk, de massa van het W-deeltje kan tegenwoordig worden voorspeld met een precisie die die van directe metingen overtreft. Daarom is het een belangrijk ingrediënt in de zoektocht naar nieuwe fysica, aangezien elke afwijking van de gemeten massa van de voorspelling nieuwe fenomenen zou kunnen onthullen die in strijd zijn met het standaardmodel.

De meting berust op een grondige kalibratie van de detector en van de theoretische modellering van de W-bosonproductie. Deze werden bereikt door de studie van Z-bosongebeurtenissen en verschillende andere aanvullende metingen. Door de complexiteit van de analyse duurde het bijna vijf jaar voordat het ATLAS-team dit nieuwe resultaat bereikte. Verdere analyse met de enorme hoeveelheid nu beschikbare LHC-gegevens, zal in de nabije toekomst een nog grotere nauwkeurigheid mogelijk maken.