Wetenschap
ATLAS biedt de eerste meting van de W-bosonbreedte bij de LHC
De ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012 vormde het laatste ontbrekende stukje van de standaardmodelpuzzel. Toch bleven er vragen achter. Wat ligt er buiten dit kader? Waar zijn de nieuwe verschijnselen die de resterende mysteries van het universum zouden oplossen, zoals de aard van donkere materie en de oorsprong van de asymmetrie tussen materie en antimaterie?
Eén parameter die aanwijzingen kan bevatten over nieuwe natuurkundige verschijnselen is de ‘breedte’ van het W-deeltje, de elektrisch geladen drager van de zwakke kracht. De breedte van een deeltje houdt rechtstreeks verband met zijn levensduur en beschrijft hoe het vervalt naar andere deeltjes. Als het W-boson op onverwachte manieren vervalt, bijvoorbeeld in nog te ontdekken nieuwe deeltjes, zullen deze de gemeten breedte beïnvloeden.
Omdat het standaardmodel de waarde ervan nauwkeurig voorspelt op basis van de sterkte van de geladen zwakke kracht en de massa van het W-deeltje (samen met kleinere kwantumeffecten), zou elke significante afwijking van de voorspelling wijzen op de aanwezigheid van onbekende verschijnselen.
In een nieuwe studie gepubliceerd op de arXiv preprint-server heeft de ATLAS-samenwerking voor het eerst de W-bosonbreedte gemeten bij de Large Hadron Collider (LHC). De breedte van het W-boson was eerder gemeten bij de Large Electron-Positron (LEP) -botser van CERN en de Tevatron-botser van Fermilab, wat een gemiddelde waarde opleverde van 2085 ± 42 miljoen elektronvolt (MeV), consistent met de voorspelling van het standaardmodel van 2088 ± 1 MeV .
Met behulp van proton-proton-botsingsgegevens bij een energie van 7 TeV verzameld tijdens Run 1 van de LHC, mat ATLAS de W-bosonbreedte als 2202 ± 47 MeV. Dit is de meest nauwkeurige meting die tot nu toe door één experiment is gedaan, en – hoewel iets groter – komt deze overeen met de voorspelling van het standaardmodel tot binnen 2,5 standaarddeviaties (zie onderstaande afbeelding).
Dit opmerkelijke resultaat werd bereikt door een gedetailleerde deeltjes-momentumanalyse uit te voeren van het verval van het W-boson in een elektron of een muon en hun corresponderende neutrino, wat onopgemerkt blijft maar een signatuur achterlaat van ontbrekende energie bij de botsing (zie afbeelding hierboven). Dit vereiste dat natuurkundigen de reactie van de ATLAS-detector op deze deeltjes nauwkeurig moesten kalibreren in termen van efficiëntie, energie en momentum, waarbij rekening werd gehouden met bijdragen van achtergrondprocessen.
Het bereiken van een dergelijke hoge nauwkeurigheid vereist echter ook de samenloop van verschillende resultaten met hoge precisie. Een nauwkeurig begrip van de productie van W-bosonen bij botsingen tussen protonen en protonen was bijvoorbeeld essentieel, en onderzoekers vertrouwden op een combinatie van theoretische voorspellingen, gevalideerd door verschillende metingen van W- en Z-bosoneigenschappen.
Ook cruciaal voor deze meting is de kennis van de innerlijke structuur van het proton, die wordt beschreven in partonverdelingsfuncties. ATLAS-natuurkundigen hebben parton-distributiefuncties overgenomen en getest die door wereldwijde onderzoeksgroepen zijn afgeleid van fit-gegevens van een breed scala aan deeltjesfysica-experimenten.
De ATLAS-samenwerking heeft de breedte van het W-boson gelijktijdig met de massa van het W-boson gemeten met behulp van een statistische methode waarmee een deel van de parameters die onzekerheden kwantificeren rechtstreeks uit de gemeten gegevens kon worden afgeleid, waardoor de nauwkeurigheid van de meting werd verbeterd.
De bijgewerkte meting van de W-bosonmassa is 80367 ± 16 MeV, wat een verbetering is en deze vervangt de vorige ATLAS-meting met dezelfde dataset. De gemeten waarden van zowel de massa als de breedte komen overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel.
Verwacht wordt dat toekomstige metingen van de breedte en massa van het W-boson met behulp van grotere ATLAS-datasets de statistische en experimentele onzekerheden zullen verminderen. Tegelijkertijd zullen vooruitgang in theoretische voorspellingen en een meer verfijnd begrip van partonverdelingsfuncties helpen de theoretische onzekerheden te verminderen. Naarmate hun metingen steeds nauwkeuriger worden, zullen natuurkundigen nog strengere tests van het standaardmodel kunnen uitvoeren en naar nieuwe deeltjes en krachten kunnen zoeken.