Vorige week presenteerde de CMS-samenwerking op de jaarlijkse Rencontres de Moriond-conferentie een meting van de effectieve leptonische elektrozwakke menghoek. Het resultaat is de meest nauwkeurige meting die tot nu toe bij een hadron-botser is uitgevoerd en komt goed overeen met de voorspelling van het Standaardmodel.

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is de meest nauwkeurige beschrijving tot nu toe van deeltjes en hun interacties. Nauwkeurige metingen van de parameters, gecombineerd met nauwkeurige theoretische berekeningen, leveren een spectaculair voorspellend vermogen op waarmee fenomenen kunnen worden bepaald nog voordat ze direct worden waargenomen.

Op deze manier beperkte het model met succes de massa's van de W- en Z-bosonen (ontdekt op CERN in 1983), van de top-quark (ontdekt bij Fermilab in 1995) en, meest recentelijk, van het Higgs-boson (ontdekt op CERN in 2012). ). Toen deze deeltjes eenmaal waren ontdekt, werden deze voorspellingen consistentiecontroles voor het model, waardoor natuurkundigen de grenzen van de geldigheid van de theorie konden verkennen.

Tegelijkertijd zijn precisiemetingen van de eigenschappen van deze deeltjes een krachtig hulpmiddel bij het zoeken naar nieuwe verschijnselen die verder gaan dan het standaardmodel – de zogenaamde ‘nieuwe fysica’ – omdat nieuwe verschijnselen zich zouden manifesteren als discrepanties tussen verschillende gemeten en berekende grootheden.

De elektrozwakke menghoek is een belangrijk element van deze consistentiecontroles. Het is een fundamentele parameter van het standaardmodel, die bepaalt hoe de verenigde elektrozwakke interactie aanleiding gaf tot de elektromagnetische en zwakke interacties via een proces dat bekend staat als het breken van de elektrozwakke symmetrie. Tegelijkertijd verbindt het wiskundig de massa's van de W- en Z-bosonen die de zwakke interactie overbrengen. Metingen van de W, de Z of de menghoek bieden dus een goede experimentele kruiscontrole van het model.

De twee meest nauwkeurige metingen van de zwakke menghoek werden uitgevoerd door experimenten bij de CERN LEP-botser en door het SLD-experiment in het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). De waarden zijn het niet met elkaar eens, wat natuurkundigen al meer dan tien jaar in verwarring bracht. Het nieuwe resultaat komt goed overeen met de voorspelling van het Standaardmodel en is een stap in de richting van het oplossen van de discrepantie tussen laatstgenoemde en de LEP- en SLD-metingen.

"Dit resultaat laat zien dat precisiefysica kan worden uitgevoerd bij hadronbotsers", zegt Patricia McBride, woordvoerder van CMS. "De analyse moest omgaan met de uitdagende omgeving van LHC Run 2, met een gemiddelde van 35 gelijktijdige proton-protonbotsingen. Dit maakt de weg vrij voor meer nauwkeurige fysica bij de High-Luminosity LHC, waar vijf keer meer protonenparen tegelijkertijd zullen botsen ."

Precisietests van de standaardmodelparameters zijn de erfenis van elektron-positron-botsers, zoals CERN's LEP, die tot het jaar 2000 in de tunnel functioneerde waarin nu de LHC is gehuisvest. Elektronen-positronbotsingen bieden een perfecte, schone omgeving voor zulke uiterst nauwkeurige metingen.

Proton-protonbotsingen in de LHC vormen een grotere uitdaging voor dit soort onderzoeken, ook al hebben de ATLAS-, CMS- en LHCb-experimenten al een overvloed aan nieuwe ultraprecieze metingen opgeleverd. De uitdaging is voornamelijk te wijten aan de enorme achtergronden van andere natuurkundige processen dan die welke worden bestudeerd, en aan het feit dat protonen, in tegenstelling tot elektronen, geen elementaire deeltjes zijn.

Voor dit nieuwe resultaat leek het bereiken van een nauwkeurigheid vergelijkbaar met die van een elektron-positron-botser een onmogelijke opgave, maar het is nu toch gelukt.

De door CMS gepresenteerde meting maakt gebruik van een steekproef van proton-protonbotsingen verzameld tussen 2016 en 2018 bij een massamiddelpuntsenergie van 13 TeV en komt overeen met een totale geïntegreerde helderheid van 137 fb ⁻¹ , wat neerkomt op ongeveer 11,000 miljoen miljoen botsingen.

De menghoek wordt verkregen door analyse van hoekverdelingen bij botsingen waarbij paren elektronen of muonen worden geproduceerd. Dit is de meest nauwkeurige meting die tot nu toe is uitgevoerd bij een hadronenbotser, en is een verbetering ten opzichte van eerdere metingen van ATLAS, CMS en LHCb.

Geleverd door CERN