Die Vermittlerteilchen f\u00fcr die vier Grundkr\u00e4fte bilden die Basis unseres physikalischen Standardmodells. Doch eines davon \u2013 das W-Boson der schwachen Kernkraft \u2013 schien laut einer Messung von 2022 massereicher als es sein d\u00fcrfte. Jetzt haben Physiker die Masse dieses Bosons mithilfe vor gut 100 Millionen Protonenkollisionen im Teilchenbeschleuniger LHC erneut bestimmt. Das Ergebnis ist ebenso pr\u00e4zise wie die in den USA gemachte Messung von 2022 \u2013 liefert aber eine andere Masse f\u00fcr das W-Boson. Demnach passt dieses Teilchen mit 80.360,2 \u00b1 9,9 Megaelektronenvolt (MeV) doch zu den Vorhersagen des Standardmodells, wie das Team berichtet.<\/p>\n
Die schwache Kernkraft ist eine der vier Grundkr\u00e4fte. Sie wirkt immer dann, wenn Atome zerfallen oder miteinander verschmelzen \u2013 beispielsweise beim radioaktiven Betazerfall oder der Fusion von Wasserstoffkernen in der Sonne. Vermittelt wird die schwache Wechselwirkung \u00fcber zwei Tr\u00e4gerteilchen \u2013 das W- und das Z-Boson. Das erst 1983 nachgewiesene W-Boson ist auch einer der Grundpfeiler f\u00fcr das Standardmodell der Teilchenphysik. Denn seine Masse und Wechselwirkung sind auch mit der elektromagnetischen Grundkraft und mit den Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks verkn\u00fcpft. Entsprechend wichtig ist es, die Masse des W-Bosons m\u00f6glichst genau zu kennen. Fr\u00fchere Messungen hatten daf\u00fcr Werte ergeben, die zu den Vorhersagen des Standardmodells zu passen schienen.<\/p>\n
Wie schwer ist das W-Boson?<\/p>\n
Im Jahr 2022 jedoch \u00e4nderte sich dies: Physiker der CDF-Kollaboration in den USA ermittelten die Masse des W-Bosons mithilfe von Daten des Tevatron-Teilchenbeschleunigers so pr\u00e4zise wie nie zuvor \u2013 aber kamen auf \u00fcberraschend hohe Werte. Mit einer Masse von 80.433,5 Megaelektronenvolt \u00b1 9,4 war das W-Boson deutlich schwerer als es der Theorie nach sein d\u00fcrfte. \u201eDie starke Diskrepanz zwischen diesem Ergebnis und dem Standardmodell sowie fr\u00fcheren Messungen repr\u00e4sentiert ein R\u00e4tsel der Teilchenphysik\u201c, erkl\u00e4ren die Physiker der CMS-Kollaboration am Forschungszentrum CERN bei Genf. \u201eWenn man die CDF-Messergebnisse als korrekt ansieht, muss man davon ausgehen, dass es eine Physik jenseits des Standardmodells gibt\u201c, erg\u00e4nzt Co-Autor Christoph Paus vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ob das wirklich so ist, haben die Physiker jetzt anhand von Daten des Large Hadron Collider (LHC) am CERN \u00fcberpr\u00fcft \u2013 desm gr\u00f6\u00dften Teilchenbeschleuniger der Welt.<\/p>\n
Die Physiker der CMS-Kollaboration haben f\u00fcr ihre Analyse die Daten von mehr als einer Milliarde Protonenkollisionen im LHC nach Ereignissen untersucht, bei denen ein W-Boson entstand und anschlie\u00dfend in ein Neutrino und ein Myon zerfiel. \u201eDas W-Boson existiert nur f\u00fcr einen winzigen Augenblick \u2013 nur rund 10-24 Sekunden, bevor es in die beiden Teilchen zerf\u00e4llt\u201c, erkl\u00e4rt Co-Autor Kenneth Long vom MIT. W\u00e4hrend das Neutrino mit den Detektoren nicht messbar ist, reagiert das Myon auf die Magnetfelder im CMS-Experiment des LHC und l\u00e4sst sich einfangen. In den Daten identifizierte das Team rund 117 Millionen Protonenkollisionen, bei denen ein solches Myon entstand und gemessen wurde. Aus dem Impuls und der Masse des Myons l\u00e4sst sich die Masse des W-Bosons ermitteln. Um m\u00f6gliche St\u00f6reffekte auszuschlie\u00dfen, nutzten die Physiker zus\u00e4tzlich Simulationen, mit denen sie alle potenziellen Einfl\u00fcsse rekonstruierten und mit den Daten abglichen.<\/p>\n
Standardmodell best\u00e4tigt, 2022er Messung nicht<\/p>\n
Die Analysen ergaben eine Masse f\u00fcr das W-Boson, die bei 80.360,2 \u00b1 9,9 Megaelektronenvolt (MeV) liegt. \u201eDieses Resultat stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells \u00fcberein\u201c, konstatieren die Physiker der CMS-Kollaboration. Noch wichtiger jedoch: Die Pr\u00e4zision der neuen Messung ist genauso hoch wie die der CDF-Messung aus dem Jahr 2022 am Tevatron \u2013 ergibt aber eine deutlich geringere Masse f\u00fcr das W-Boson als jene. Das st\u00e4rkt die Annahme, dass die zu hohe Masse des W- Bosons ein m\u00f6glicherweise messbedingter Ausrei\u00dfer ist, wie die Physiker erkl\u00e4ren: \u201eDie Kombination unseres sehr pr\u00e4zisen Resultats mit denen fr\u00fcherer Experimente, die ebenfalls den Vorhersagen des Standardmodells entsprechen, best\u00e4tigt dieses\u201c, sagt Long. \u201eUnsere neue Messung best\u00e4rkt uns darin, dass wir dem Standardmodell vertrauen k\u00f6nnen \u2013 das ist ehrlich gesagt eine gro\u00dfe Erleichterung.\u201c<\/p>\n
Nach Ansicht der Physiker validiert ihre Messung g\u00e4ngige Annahmen zum W-Boson und der schwachen Kernkraft. Das sei eine wichtige Best\u00e4tigung physikalischer Theorien. Dennoch halten Long und seine Kollegen es f\u00fcr wichtig, weiter zu forschen und zu messen. \u201eWir sind damit noch nicht durch. Wir wollen weitere Daten hinzunehmen und unsere Analysentechniken weiter verfeinern\u201c, sagt Paus. \u201eDann k\u00f6nnen wir sicherer sagen, ob wir diesen fundamentalen Baustein unseres physikalischen Weltbilds wirklich verstanden haben.\u201c<\/p>\n
Quelle: The CMS Collaboration, Nature, doi: 10.1038\/s41586-026-10168-5<\/a><\/p>\n