Na 10 jaar zorgvuldige analyse en nauwkeurig onderzoek hebben wetenschappers van de CDF-samenwerking van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie vandaag aangekondigd dat ze de meest nauwkeurige meting tot nu toe hebben bereikt van de massa van het W-boson, een van de krachtdragende krachten van de natuur. deeltjes. Met behulp van gegevens verzameld door de Collider Detector bij Fermilab, of CDF, hebben wetenschappers nu de massa van het deeltje bepaald met een precisie van 0,01% - twee keer zo nauwkeurig als de vorige beste meting. Het komt overeen met het meten van het gewicht van een gorilla van 800 pond tot 1,5 ons.

De nieuwe precisiemeting, gepubliceerd in het tijdschrift Science , stelt wetenschappers in staat om het standaardmodel van deeltjesfysica te testen, het theoretische raamwerk dat de natuur op het meest fundamentele niveau beschrijft. Het resultaat:de nieuwe massawaarde vertoont spanning met de waarde die wetenschappers verkrijgen met behulp van experimentele en theoretische inputs in de context van het standaardmodel.

"Het aantal verbeteringen en extra controles dat in ons resultaat is gestopt, is enorm", zegt Ashutosh V. Kotwal van Duke University, die deze analyse leidde en een van de 400 wetenschappers is in de CDF-samenwerking. "We hebben rekening gehouden met ons verbeterde begrip van onze deeltjesdetector en met de vooruitgang in het theoretische en experimentele begrip van de interacties van het W-boson met andere deeltjes. Toen we eindelijk het resultaat onthulden, ontdekten we dat het verschilde van de standaardmodelvoorspelling."

Indien bevestigd, suggereert deze meting de mogelijke behoefte aan verbeteringen aan de standaardmodelberekening of uitbreidingen van het model.

De nieuwe waarde is in overeenstemming met veel eerdere metingen van de massa van W-bosonen, maar er zijn ook enkele meningsverschillen. Toekomstige metingen zullen nodig zijn om meer licht op het resultaat te werpen.

"Hoewel dit een intrigerend resultaat is, moet de meting worden bevestigd door een ander experiment voordat het volledig kan worden geïnterpreteerd", zegt Fermilab-adjunct-directeur Joe Lykken.

Het W-deeltje is een boodschapperdeeltje van de zwakke kernkracht. Het is verantwoordelijk voor de nucleaire processen die de zon laten schijnen en deeltjes laten vervallen. Met behulp van hoogenergetische deeltjesbotsingen geproduceerd door de Tevatron-botser in Fermilab, verzamelde de CDF-samenwerking enorme hoeveelheden gegevens met W-bosonen van 1985 tot 2011.

CDF-fysicus Chris Hays van de Universiteit van Oxford zei:"De CDF-meting werd in de loop van vele jaren uitgevoerd, waarbij de gemeten waarde verborgen bleef voor de analysatoren totdat de procedures volledig waren onderzocht. Toen we de waarde ontdekten, was het een verrassing. "

De massa van een W-boson is ongeveer 80 keer de massa van een proton, of ongeveer 80.000 MeV/c ² . CDF-onderzoekers werken al meer dan 20 jaar aan steeds nauwkeurigere metingen van de W-bosonmassa. De centrale waarde en onzekerheid van hun laatste massameting is 80.433 +/- 9 MeV/c ² . Dit resultaat maakt gebruik van de volledige dataset die is verzameld van de Tevatron-versneller bij Fermilab. Het is gebaseerd op de waarneming van 4,2 miljoen W-bosonkandidaten, ongeveer vier keer het aantal dat werd gebruikt in de analyse van de samenwerking die in 2012 werd gepubliceerd.

"Veel collider-experimenten hebben de afgelopen 40 jaar metingen van de W-bosonmassa opgeleverd", zegt CDF-medewoordvoerder Giorgio Chiarelli van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica (INFN-Pisa). "Dit zijn uitdagende, gecompliceerde metingen en ze hebben steeds meer precisie bereikt. Het kostte ons vele jaren om alle details en de benodigde controles door te nemen. Het is onze meest robuuste meting tot nu toe, en de discrepantie tussen de gemeten en verwachte waarden blijft bestaan."

De samenwerking vergeleek hun resultaat ook met de beste verwachte waarde voor de W-bosonmassa met behulp van het standaardmodel, namelijk 80.357 ± 6 MeV/c ² . Deze waarde is gebaseerd op complexe standaardmodelberekeningen die de massa van het W-deeltje op een ingewikkelde manier koppelen aan de metingen van de massa's van twee andere deeltjes:de top-quark, ontdekt bij de Tevatron-botser bij Fermilab in 1995, en het Higgs-deeltje, ontdekt bij de Large Hadron Collider bij CERN in 2012.

CDF-medewoordvoerder David Toback, Texas A&M, verklaarde dat het resultaat een belangrijke bijdrage levert aan het testen van de nauwkeurigheid van het standaardmodel. "Het is nu aan de theoretische natuurkundegemeenschap en andere experimenten om dit op te volgen en licht te werpen op dit mysterie," voegde hij eraan toe. "Als het verschil tussen de experimentele en verwachte waarde te wijten is aan een soort nieuw deeltje of subatomaire interactie, wat een van de mogelijkheden is, is de kans groot dat het iets is dat in toekomstige experimenten kan worden ontdekt." + Verder verkennen

Inspelen op de interactie van het Higgs-deeltje met de charm-quark