Warum hat dieses „tausendste“ superschwere Elementarteilchen Physiker auf der ganzen Welt alarmiert?

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Geschrieben von Zhang Hao (Associate Researcher, Labor für Theoretische Physik, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Herausgeber/Ding Lin Li Yunfeng

Kürzlich gab die CDF-Experimentiergruppe am Fermi National Laboratory in den USA die neuesten Analyseergebnisse der Massenmessung des W-Bosons des Standardmodells bekannt. Dieses Ergebnis hat die Aufmerksamkeit der Physiker erregt, da es um mehr als 7 Standardabweichungen vom theoretischen Erwartungswert des Standardmodells der Teilchenphysik abweicht.

Was ist das W-Boson? Wie wird seine Qualität gemessen? Was bedeutet diese in der neuen Studie festgestellte Verzerrung? Dieser Artikel versucht, dem Leser diese Probleme kurz vorzustellen.

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Wer ist W?

Im Jahr 1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel das Phänomen der natürlichen Radioaktivität. Schon bald stellte sich heraus, dass es in der natürlichen Radioaktivität drei Strahlenarten mit unterschiedlicher Durchdringungskraft gibt: Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen.

▲ Durch die Untersuchung der Strahlungsablenkung in einem Magnetfeld entdeckten Physiker, dass es drei Arten von Strahlung gibt: positiv geladene, negativ geladene und ungeladene Strahlung. Diese benannten sie Alphastrahlen, Betastrahlen und Gammastrahlen. Der Vorgang der Emission von Betastrahlen ist ein Zerfallsvorgang und wird daher Betazerfall genannt. (Bildquelle: Lehrbuch von People's Education Press)

Für die „klassischen“ Physiker des späten 19. Jahrhunderts war dies ein völlig neues Phänomen und viele seiner Eigenschaften gaben ihnen Rätsel auf. Seine Erforschung hat die Geschichte des menschlichen Verständnisses verschiedener Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen über mehr als ein Jahrhundert hinweg geprägt.

Heute können Physiker, ausgerüstet mit den theoretischen Werkzeugen der relativistischen Quantenfeldtheorie, ein gutes Verständnis der natürlichen Radioaktivität, insbesondere des Ursprungs der Betastrahlen, gewinnen. Die Entstehung von Betastrahlen wird durch eine völlig neue Art der Wechselwirkung verursacht, die sich von der Schwerkraft und der elektromagnetischen Kraft unterscheidet – die schwache Wechselwirkung.

Ähnlich der elektromagnetischen Kraft, die zwischen Teilchen mit „elektrischer Ladung“ besteht, besteht zwischen Teilchen, die eine sogenannte „schwache Ladung“ aufweisen, eine „schwache Kraft“. Betastrahlen in natürlichen radioaktiven Phänomenen sind einfach das Ergebnis eines Neutrons im Atomkern, das unter der Einwirkung schwacher Wechselwirkung in ein Proton, ein Elektron und ein (Antielektron-)Neutrino „zerfällt“.

▲ Schematische Darstellung des Neutronenzerfalls (Quelle: science.org)

Der verwirrende Punkt ist, dass dieser Zerfall nicht bedeutet, dass das Neutron aus diesen drei Teilchen besteht (tatsächlich waren sich die Physiker im Laufe der Geschichte eine Zeit lang nicht einig). Es ist wie ein Elektron, das sich in einem elektromagnetischen Feld dreht. Obwohl elektromagnetische Wellen (Photonen) ausgestrahlt werden, bedeutet dies nicht, dass das ursprüngliche Elektron aus späteren Elektronen und den abgestrahlten Photonen besteht. Ebenso sollten wir uns Neutronen nicht als ein „kleines Sonnensystem“ aus Protonen, Elektronen und Neutrinos vorstellen, die einander umkreisen.

Die obige (unpräzise) Analogie lässt sich fortsetzen. Physiker wissen heute, dass Neutronen, Protonen, Elektronen und Neutrinos alle schwache Ladungen haben. Wir können uns grob vorstellen, dass Neutronen Elektronen und Neutrinos „abstrahlen“ und selbst zu einem anderen schwach geladenen Teilchen werden – einem Proton.

Leider ist eine solch einfache Beschreibung in der „wohlerzogenen“ Quantenfeldtheorie nicht zulässig. Physiker haben Jahrzehnte damit verbracht, die verschiedenen damit verbundenen Schwierigkeiten zu verstehen, und sind schließlich zu dem Schluss gekommen, dass Neutronen immer nur ein Teilchen auf einmal „ausstoßen“ können. Beim Zerfallsprozess von Neutronen muss also ein neues Teilchen entstehen, das sogenannte W-Boson. Der Großbuchstabe W kommt vom „Weak“ in schwacher Wechselwirkung.

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Ws „theoretisches Gewicht“

Apropos, dass die neuesten Ergebnisse von Fermilab nicht mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmen: Welches Gewicht sollte das W-Boson laut Theorie haben? Seine Masse ist mehr als 85-mal so groß wie die eines Neutrons!

Wird W nicht durch das Neutron „herausgeschleudert“? Wie kann es schwerer als ein Neutron sein?

▲Die Forschung zum „superschweren“ W-Boson wurde Anfang April als Titelartikel von Science veröffentlicht

Tatsächlich ist dies genau das Ergebnis des „Unschärfeprinzips“ in der Quantenphysik. Unter der Einwirkung schwacher Wechselwirkungen „stößt“ ein Neutron ein W-Boson aus und wird zu einem Proton. Das W-Boson kann außerdem ein Antielektronen-Neutrino „ausstoßen“ und zu einem Elektron werden. Obwohl das „Ausstoßen“ eines W-Bosons durch ein Neutron, das viel schwerer ist als es selbst, den Energieerhaltungssatz verletzt, wird dieser Prozess gemäß der „Energie-Zeit-Unschärferelation“ der Quantenphysik, solange er in ausreichend kurzer Zeit stattfindet, keinen Effekt „zeigen“, der den Energieerhaltungssatz verletzt. Physiker schätzten die Masse des W-Bosons, indem sie die Rate berechneten, mit der Neutronen zerfallen – dies war die erste Information, die wir über die Masse des W-Bosons hatten.

Heute sind verschiedene Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik experimentell beobachtbar und Teilchenphysiker haben zahlreiche, zum Teil sehr präzise Messungen der Wechselwirkungseigenschaften dieser Teilchen durchgeführt. Diese Beobachtungen beinhalten keine direkte Messung der Masse des W-Bosons, sollten aber im Prinzip nur von wenigen (höchstens einem Dutzend) physikalischen Parametern abhängen. Physiker können diese Beobachtungen berechnen und auf die Masse des W-Bosons schließen. Das heißt, wenn das Standardmodell korrekt ist, sollte die Masse des W-Bosons so groß sein, dass sie die oben erwähnten experimentellen Daten der Teilchenphysik erklären kann – dies ist der Ursprung des Erwartungswerts des Standardmodells für die Masse des W-Bosons. Heute liegt der Erwartungswert bei 80.357 MeV, also der 85,644-fachen Masse eines Protons. Die Genauigkeit dieser Schätzung beträgt bis zu 0,75 pro 10.000!

▲Der Collider Detector (CDF) am Fermi National Accelerator Laboratory in den USA sammelte zwischen 1985 und 2011 umfangreiche Daten zu Kollisionen hochenergetischer Teilchen. Das Bild zeigt den Abbau des CDF (Bildnachweis: Fermilab).

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Wie kann die Masse von W „direkt“ gemessen werden?

Obwohl das Standardmodell die Masse des W-Bosons als wichtige physikalische Größe sehr genau vorhergesagt hat, müssen Teilchenphysiker sie immer noch „direkt“ messen. Wenn dieses Messergebnis mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmt, wäre dies ein großer Erfolg des Standardmodells. Wenn es inkonsistent ist, könnte dies ein Signal für eine „neue Physik“ jenseits des Standardmodells sein.

Die Messung der Masse von Elementarteilchen ist sehr schwierig, da sie im Vergleich zu makroskopischen Objekten zu klein und zu leicht sind, um direkt auf einer Waage gewogen zu werden. Andererseits zerfallen viele Elementarteilchen schnell. Glücklicherweise können Physiker bei solchen zerfallenden Teilchen (einschließlich W-Bosonen) die Bewegungsinformationen anderer Teilchen, die durch ihren Zerfall entstehen, in Teilchendetektoren aufzeichnen und dann die Energie und den Impuls dieser Teilchen neu kombinieren, um die Informationen der Teilchen vor dem Zerfall wiederherzustellen und so ihre Masse zu berechnen. Im Prinzip ähnelt diese Methode zur Messung der Masse instabiler Teilchen der von Xu Chu in der Geschichte „Cao Chongs Wiegen des Elefanten“ vorgeschlagenen Methode: Schneiden Sie den Elefanten in acht Stücke, wiegen Sie jedes Stück und addieren Sie dann die Zahlen.

▲Dieses Computerbild zeigt den Zerfall des W-Bosons in ein Positron (magentafarbener Block, unten links) und ein unentdecktes Neutrino (gelber Pfeil) im CDF-Detektor (Bildquelle: nature.com)

Eine weitere Schwierigkeit bei der Messung der Masse des W-Bosons besteht darin, dass eines der beiden Teilchen, in die es zerfällt, ein Neutrino ist, ein Teilchen, das von den Detektoren des Beschleunigers nicht erfasst und aufgezeichnet werden kann. Daher können wir nicht über jedes Stück „Fleisch“ des „Elefanten“ Informationen erhalten. Glücklicherweise können Physiker immer noch auf die Masse des W-Bosons schließen, indem sie die statistische Verteilung des Bewegungszustands eines anderen Zerfallsprodukts, des Elektrons (oder Myons), verwenden.

Basierend auf den oben genannten Prinzipien führten Experimentalforscher der CDF-Experimentalgruppe eine sehr sorgfältige Analyse der „massiven“ experimentellen Daten durch, die auf dem Tevatron-Collider im Fermi National Laboratory in den Vereinigten Staaten gespeichert waren, der vor mehr als einem Jahrzehnt stillgelegt worden war. Sie erhielten schließlich das weltweit genaueste direkte Messergebnis der W-Boson-Masse: 80.433,5 MeV. Die Messgenauigkeit erreichte erstaunliche 1,17 Zehntausendstel!

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Wie sind die anomalen Ergebnisse zu erklären?

Durch einfache Berechnungen können wir feststellen, dass zwischen der theoretischen Erwartung der W-Boson-Masse (80357 MeV) und den neuesten experimentellen Ergebnissen (80433,5 MeV) eine Lücke von etwa einem Tausendstel (76,5 MeV) besteht. Diese Lücke mag unbedeutend erscheinen, doch sowohl die theoretische Erwartung als auch die experimentelle Messung ergaben Fehler von etwa einem zu zehntausend.

▲Die Forschungsergebnisse basieren auf Billionen experimenteller Daten zu CDF-Proton-Antiproton-Kollisionen (Bildquelle: Baylor University)

Um den in der Teilchenphysik-Gemeinschaft üblichen Ausdruck zu verwenden, sagten die Wissenschaftler, dass die Messergebnisse um „sieben Standardabweichungen“ von der Vorhersage des Standardmodells abwichen.

Was bedeutet 7 mal die Standardabweichung? Dies bedeutet, dass unter der Annahme, dass es keine Fehler in den theoretischen Berechnungen und Messergebnissen gibt, dass es keine neue Physik jenseits der bestehenden Theorie gibt und dass die Fehlerschätzungen beider Theorien angemessen sind, die Wahrscheinlichkeit, dass ein solches Ergebnis rein durch statistische Schwankungen und zufällige experimentelle Abweichungen verursacht wird, in einem Bereich außerhalb von 7 Standardabweichungen vom Mittelwert der Normalverteilung liegt. Mit Statistik vertraute Leser können mit einfachen Rechenhilfen herausfinden, dass die Wahrscheinlichkeit lediglich bei 0,00000000000256 liegt (ist der Rechner nicht genau genug, gibt er direkt 0 aus). Diese Wahrscheinlichkeit lässt sich auch umgekehrt interpretieren: Die Wahrscheinlichkeit, dass die experimentelle Beobachtung falsch ist, neue Physik existiert oder die Fehlerabschätzung problematisch ist, liegt bei bis zu 99,999999999999754 %.

▲Bei einer Normalverteilung ist die Eintrittswahrscheinlichkeit umso geringer, je größer die Standardabweichung der Daten vom Median (μ) ist. Beispielsweise beträgt die Wahrscheinlichkeit von Daten außerhalb der Standardabweichung von 3σ nur etwa 0,27 % (Bildquelle: mit.edu)

Im Bereich der Teilchenphysik beträgt der Abweichungsstandard, der erforderlich ist, um ausgereifte theoretische Ergebnisse zu widerlegen, im Allgemeinen das Fünffache der Standardabweichung. Das heißt, wenn die Abweichung zwischen den Beobachtungsergebnissen und der Theorie 5 Standardabweichungen (oder mehr) erreicht, sprechen die Physiker von „einer Entdeckung neuer Physik“, andernfalls kann es nur als „potenzielles“ Problem eingestuft werden. Bei der Auswahl der „5-fachen“ Grenze spielen verschiedene Aspekte eine Rolle, darunter Branchengepflogenheiten, historische Erfahrungen usw. Wir müssen uns jedoch darüber im Klaren sein, dass eine so hohe Abweichung bedeutet, dass etwas schiefgelaufen sein muss und es sich wahrscheinlich nicht um eine statistische Schwankung handelt.

Was ist also schiefgelaufen? Es gibt mehrere Möglichkeiten:

(1) Es gibt neue Physik: Dies ist natürlich die aufregendste Erklärung. Tatsächlich versuchten innerhalb weniger Tage nach der Online-Veröffentlichung des experimentellen Artikels Dutzende theoretischer Artikel, diese Abweichung mithilfe neuer physikalischer Effekte jenseits des Standardmodells zu erklären. Es gibt erfolgreiche Beispiele, aber auch einige Herausforderungen, die diese Abweichung für neue physikalische Modelle mit sich bringt. Da alle anderen experimentellen Messungen der W-Boson-Masse bis heute (innerhalb der Fehlertoleranz) mit den theoretischen Erwartungen des Standardmodells übereinstimmten, bleibt bei all diesen Modellen der „neuen Physik“ noch die Frage offen, warum nur die CDF-Ergebnisse diese Massenabweichung aufweisen.

▲Die neuesten von CDF veröffentlichten Messergebnisse sind äußerst genau. Im Gegensatz dazu liegen die Messungen früherer Experimente näher an den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells (Bildquelle: Science)

(2) Es liegen Fehler bei der Berechnung oder experimentellen Messung des Erwartungswerts des Standardmodells vor: In der Geschichte gab es zwar merkwürdige Ergebnisse wie „überlichtschnelle Neutrinos“, die die 6-fache Standardabweichung erreichten, aber letztendlich stellte sich heraus, dass es sich dabei um geringfügige experimentelle Fehler handelte. Doch derzeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass eines dieser beiden Ergebnisse eintritt, äußerst gering.

(3) Der Fehler des Ergebnisses wird unterschätzt: Wie oben erwähnt, geben die Messergebnisse des CDF-Experiments nicht direkt die Masse des W-Bosons an. Stattdessen ist es notwendig, die Verteilung bestimmter Eigenschaften der vom Detektor gesammelten Zerfallsproduktpartikel mit der von der Theorie unter verschiedenen W-Boson-Massenparametern vorgegebenen Verteilung zu vergleichen. Das Messergebnis ist die W-Masse, bei der beide am ehesten übereinstimmen. Gibt es in diesem Prozess unterschätzte Fehler? Dies ist eine Frage, die Theoretiker derzeit stärker beschäftigt. Immerhin handelt es sich hierbei um ein Ergebnis mit einer Genauigkeit von einem Zehntausendstel. Jeder unbedeutende Fehler im Genauigkeitsbereich von einem Prozent oder einem Tausendstel kann sichtbar werden und erhebliche Auswirkungen haben.

Die Messergebnisse der CDF-Experimentalgruppe sind ein weiterer wichtiger Fortschritt in den Präzisionsmessexperimenten der Teilchenphysik. Unabhängig davon, welche der oben genannten Erklärungen man in Zukunft zu den Endergebnissen gibt, wird dies das Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft für die dahinter stehende Physik vertiefen. Andererseits erwartet man auch, dass präzisere Experimente es ermöglichen, die Masse des W-Bosons unabhängig und mit höherer Genauigkeit und geringerer Unsicherheit zu messen. Diese Aufgabe kann nur zukünftigen Leptonencollidern wie CEPC und FCC-ee überlassen werden.

Produziert von: Science Central Kitchen

Produziert von: Beijing Science and Technology News | Pekinger Wissenschafts- und Technologiemedien

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