De CDF-II detector van Fermilab. Credit: Frermilab.
Na maar liefst 10 jaar nauwkeurige metingen met de Collider-II Detector at Fermilab (CDF, ook wel de Tevatron detector genoemd) in de VS zijn natuurkundigen erin geslaagd om de massa te meten van het W boson, het elementaire deeltje dat samen met het Z boson verantwoordelijk is voor het overbrengen van de zwakke wisselwerking, de natuurkracht die onder andere zorgt voor het radioactieve verval van deeltjes. Met CDF zijn ze er in geslaagd om de massa van het W boson te meten met een precisie van maar liefst 0,01%, da’s twee keer zo nauwkeurig als eerdere metingen. En wat blijkt nu uit die langjarige metingen (waarbij ze door botsingen met protonen 4,2 miljoen W bosonen wisten te produceren): dat het W boson een massa heeft van 80.433,5 ± 9,4 MeV/c², zeg zo’n 80 keer zo zwaar als een proton. Zie ter illlustratie ook het twitter-draadje hieronder.
Quick 🧵 about the W mass measurement – the Particle Data Group has graphs of how particle measurements have changed over time. For the W mass (left) the precision has improved but there has been no upset (until today!) – the original central value matches the 2020 result pic.twitter.com/1Xnj4uEVAH
— Stewart Martin-Haugh (@StewMH) April 7, 2022
OK, leuk zo’n massa, maar wat is nou de opwinding, die sinds gisteren wereldwijd gaande is? Welnu, die 80.433,5 ± 9,4 MeV/c² is 0,1% zwaarder dan de massa van het W boson volgens het Standaardmodel (SM), sinds de jaren zeventig het theoretische en vigerende model van de elementaire deeltjes en de krachten daartussen. SM voorspelt 80.357 ± 6 MeV/c², da’s 0,1% (∼76 MeV) lichter dan de gemeten waarde. Ehhh… 0,1% dat stelt toch niets voor zou je zo zeggen? Nou, met de onzekerheidsmarges in aanmerking genomen is er een afwijking van maar liefst 7σ (sigma) voor de massa van het W-boson tussen de SM-voorspelling en de schatting van de CDF II-detector van Tevatron – 5σ of meer staat in wetenschapskringen voor ‘bewezen’.
De deeltjes van het standaardmodel. Rechts de bosonen, de dragers van de natuurkrachten met o.a. de W en Z bosonen. Credit: AAAS.
De massa van het W boson wordt al bijna veertig jaar gemeten – het deeltje werd voor het eerst ontdekt door CERN in 1983 – en de resultaten daarvan zie je in de grafiek hieronder. In die grafiek zie je een grijze vertikale balk, dat is de massa van het W boson volgens SM. Duidelijk is dat de onderste gemeten waarde, die van CDF, sterk verschilt van SM en dat je ook met de onzekerheid in de metingen een verschil blijft overhouden.
Credit: CDF collaboration
Eigenlijk zijn er drie mogelijke verklaringen voor dit geconstateerde verschil:
- Het zou kunnen dat die SM-waarde niet klopt, dat de massa van het W boson dus géén 80.433,5 MeV/c² is. Deze waarde is gebaseerd op complexe berekeningen 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. Wellicht zijn er bij die berekeningen fouten gemaakt. Dat zagen we vorig jaar ook, toen de uitkomsten van het zogeheten Muon G2-experiment toch opeens conform SM bleken te zijn omdat de SM-waarde werd herzien.
- Het zou kunnen dat er toch fouten zijn gemaakt in de metingen met CDF-II. De natuurkundige Francis Naukas vindt het bijvoorbeeld opvallend dat de CDF-II metingen zo sterk verschillen van die van andere detectoren, in casu DZero II (80.376 ± 23 MeV/c²), ATLAS (80.370 ± 19 MeV/c²) en LHCb (80.354 ± 32 MeV/c²). Hij trekt de CDF-II metingen in twijfel (zie de bron).
- Tenslotte de derde en meest interessante optie: stel dat de SM-waarde wel klopt én dat de CDF-II metingen ook juist zijn, dan is er dus inderdaad sprake van een verschil tussen SM en de metingen en dan kan dat wijzen op Nieuwe Natuurkunde, natuurkunde buiten het Standaardmodel, ‘Beyond Standardmodel’ (BSM). Er zouden dan bijvoorbeeld deeltjes of krachten kunnen bestaan die we nu nog niet kennen en die niet door SM worden beschreven.
Hier het vakartikel over de metingen aan de massa van het W boson, verschenen in Science. Bron: Phys.org + Francis Naukas.
Er wordt ook nog geopperd dat het Higgs boson een samengesteld deeltje zou kunnen zijn en dus niet elementair is… Ofwel daar zou ook een deel van de verloren massa vanaf gesplitst kunnen zijn in de vorm van een nog onbekend deeltje.
Ah die theorie kende ik nog niet. Heb je een linkje hierover?
Citaat Science artikel “Similar but smaller shifts of 20 to 40 MeV have been calculated in an extension that contains a second Higgs-like field with the same gauge charges as the SM Higgs field (18). Implications of very weakly interacting new particles such as “dark photons” (19), restoration of parity conservation in the weak interaction (20), the possible composite nature of the Higgs boson (21), and model-independent modifications of the Higgs boson’s interactions (22–24) have also been evaluated.” bron: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781 (zie ref 21)
Ik raakte hierdoor verward: De eenheid in de tekst van de massa van het W-boson moet steeds Gev/c2 zijn (en van de foutmarge inderdaad Mev/c2). Groetjezz, Paul
Dus de gemeten massa is 80433 GeV? Lijkt mij een tikkeltje veel.
Aah, mijn fout, ik heb slecht gelezen en interpreteerde de duizend-punt als decimale punt terwijl er toch ook een komma in het getal stond.
Ik zou je belastingopgave voor alle zekerheid nog eens goed controleren Paul, een vinkje is tegenwoordig snel gescoord 😀