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Astronomie+Physik

Das W-Boson ist schwerer

Tevatron
Der Tevatron-Teilchenbeschleuniger in den USA lieferte die Daten für die Massenmessung. © Fermilab

Das W-Boson ist das Trägerteilchen der schwachen Kernkraft und damit überall dort beteiligt, wo Atomkerne zerfallen oder verschmelzen. Welche Masse dieses Elementarteilchen hat, wird vom Standardmodell der Physik vorhergesagt. Doch jetzt hat die bisher genaueste Messung der W-Boson-Masse deutliche Abweichungen von dem theoretischen Wert ergeben – das W-Boson ist schwerer als es sein dürfte. Nach Ansicht des internationalen Forschungsteams könnte diese Diskrepanz darauf hindeuten, dass das physikalische Standardmodell unvollständig ist und es doch noch Kräfte oder Teilchen jenseits der bekannten Physik gibt.

Das 1983 entdeckte W-Boson ist eines der fundamentalen Elementarteilchen im Standardmodell der Physik. Denn es gehört zu den Trägerteilchen der physikalischen Grundkräfte und vermittelt zusammen mit dem Z-Boson die schwache Kernkraft. Diese wirkt immer dann, wenn Atome zerfallen oder miteinander verschmelzen – beispielsweise beim radioaktiven Betazerfall oder der Fusion von Wasserstoffkernen in der Sonne. Während andere Eichbosonen wie die Gluonen der starken Kernkraft oder die Photonen der elektromagnetischen Wechselwirkungen masselos sind, sind die W-Bosonen echte Schwergewichte: Dem Standardmodell der Physik zufolge ist ihre Masse etwa 80-mal höher als die des Protons. Dies ergibt sich aus theoretischen Berechnungen zu seiner Interaktion mit anderen Teilchen wie dem Higgs-Boson, dem Top-Quark und auch der Ladung des Elektrons. Treffen diese Annahmen zu, müsste das W-Boson eine Masse von 80,357 Megaelektronenvolt besitzen – so die Theorie.

Teilchenzerfälle legen höhere Masse des W-Bosons nahe

Ob dies stimmt, haben nun Physiker der CDF-Kollaboration am Fermi National Accelerator Laboratory in den USA überprüft. Ihre Messung beruht auf Daten des Tevatron-Teilchenbeschleunigers, in dem Protonen und Antiprotonen mit hoher Geschwindigkeit zur Kollision gebracht wurden. Bei diesen Kollisionen entstehen W-Bosonen, die nach kurzer Zeit entweder in ein Elektron und Neutrino oder ein Myon und Neutrino zerfallen. Aus der Flugrichtung und Energie dieser Zerfallsprodukte lässt sich ermitteln, wie schwer das W-Boson gewesen sein muss. Für ihre Studie haben die Wissenschaftler mehr als 4,2 Millionen solcher Zerfälle ausgewertet, die im Tevatron zwischen 1985 und 2011 registriert worden waren. „Dieser Datensatz ist viermal so groß wie frühere Messungen und hat eine doppelt so hohe statistische Genauigkeit“, erklärt CDF-Physiker Ashutosh Kotwal von der Duke University. „Wir haben unser Ergebnis einer enormen Menge an Überprüfungen und Tests unterzogen.“

Die Auswertungen der Tevatron-Daten ergaben, dass das W-Boson eine Masse von 80,4335 Megaelektronenvolt besitzt. Damit ist es deutlich schwerer als es die gängigen Modelle vorhersagen. Wie die Physiker berichten, entspricht die Diskrepanz zwischen dem neuen, bisher präzisesten Messwert und der vom Standardmodell vorhergesagten Masse einer Signifikanz von sieben Sigma. Sie liegt damit weit über den in der Teilchenphysik für eine Entdeckung geforderten fünf Sigma. Der neue, bisher präziseste Wert für die W-Boson-Masse stellt damit das Standardmodell in Frage, bestätigt aber gleichzeitig einige frühere Messungen, die für das W-Boson ebenfalls höhere Massen als die vom Standardmodell vorhergesagten Werte ermittelt hatten. Allerdings gab es auch Messungen, darunter eine vom ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) des CERN, die keine signifikanten Abweichungen feststellen konnten.

Ist das Standardmodell unvollständig?

Die jetzt auf Basis einer relativ genauen und auf vielen Daten beruhenden Messung erneut auftretenden Diskrepanzen bei der W-Boson-Masse sind damit zumindest Anlass für weitere Überlegungen. „Der überraschend hohe Wert für die W-Boson-Masse steht im Widerspruch zu einem fundamentalen Element im Herzen des Standardmodells“, schreiben Claudio Campagnari von der University of California und Martijn Mulders vom CERN in einem begleitenden Kommentar in „Science“. „Er betrifft theoretische Vorhersagen und experimentell beobachtete Daten, die bisher als etabliert und gut verstanden galten.“ Das könnte bedeuten, dass das Standardmodell nicht vollständig ist und korrigiert werden muss. Möglicherweise gibt es im Universum noch Teilchen oder Kräfte, die bisher nicht in unserem Wissenskatalog erfasst sind. „Jetzt müssen die theoretischen Physiker sowie andere Experimente dies weiter verfolgen und Licht auf dieses Mysterium werfen“, sagt CDF- Sprecher David Toback von der Texas A&M University.

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Quelle: CDF Collaboration, Science, doi: 10.1126/science.abk1781

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