Hat das W-Boson gerade die Physik gebrochen? Die Massenanomalie

KAPITEL
0:00 Was ist die W-Boson-Anomalie?
1:30 Was macht das W-Boson?
2:16 Vorhersage der elektroschwachen Theorie
6:40 Was bedeutet das neue Ergebnis zur Masse des W-Bosons?
8:57 Was könnte die Ursache der Massenanomalie sein?
11:23 Kurs auf College-Niveau über das Standardmodell

ZUSAMMENFASSUNG (aus der Video-Beschreibung)
Im April 2022 gab ein Team am Fermilab bekannt, dass das W-Boson mit einer neuen 7-Sigma-Genauigkeit gemessen wurde – 80,4335 Giga-Elektronenvolt (GeV) plus/minus 0,0094 GeV. Dies entspricht jedoch nicht den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik, die bei 80,357 plus/minus 0,006 GeV liegen.

Obwohl es sich nur um 0,1 GeV oder 0,3 % Abweichung handelt, ist dies eine große Sache, denn die Abweichung von der Vorhersage beträgt 7 Sigma. Alles, was über 5 Sigma liegt, gilt als neue Entdeckung.

Das W-Boson vermittelt zusammen mit dem Z-Boson die schwache Kraft, eine der drei vom Standardmodell beschriebenen Grundkräfte. Es ist ein ziemlich schweres Teilchen, das etwa 80-mal so schwer ist wie das Proton, das eine Masse von etwa 1 GeV hat. Dieses Boson ist für den Zerfall von Neutronen zu Protonen und von Protonen zu Neutronen verantwortlich. Dieser Prozess ist wichtig für die Stabilität großer Atome und wesentlich für die Funktionsweise der Sonne.

Das Problem ist, dass das Fermilab-Ergebnis nicht mit dem Standardmodell vereinbar ist, das als unser bestes Verständnis der Funktionsweise des Universums gilt und dessen Vorhersagen bisher sehr genau waren.

Die elektroschwache Theorie vereinigt zwei fundamentale Kräfte, die schwache Kernkraft und den Elektromagnetismus. Sie erklärt uns, wie diese beiden Kräfte aus einer einzigen vereinheitlichten Kraft hervorgehen, und sie erklärt uns, wie diese Kraft funktioniert. Das Higgs-Feld spielt eine entscheidende Rolle für das Funktionieren der elektroschwachen Theorie, denn es ist dafür verantwortlich, dass die Bosonen, die die schwache Kraft übertragen, Masse erhalten. Diese Bosonen sind die W- und Z-Bosonen. Das Higgs-Boson ist eine Anregung im Higgs-Feld.

Die schwache Kraft interagiert mit allen Materieteilchen des Standardmodells. Jede Änderung des Standardmodells aufgrund neuer Erkenntnisse würde sich also auf die Parameter der elektroschwachen Theorie auswirken. Wenn etwas mit dem Standardmodell nicht stimmt, wird es wahrscheinlich im elektroschwachen Teil des Standardmodells zu finden sein.

Diese Theorie legt eine Beziehung zwischen dem Z- und dem W-Boson fest. Die Theorie gibt nicht genau an, wie groß die Masse dieser Teilchen sein sollte, aber sie gibt eine Beziehung an, die eingehalten werden muss. Diese Beziehung besagt, dass das Verhältnis der Masse des W-Bosons und des Z-Bosons dem Kosinus des Weinberg-Winkels entspricht. Das neue Ergebnis scheint diese Vorhersage der elektroschwachen Theorie zu verletzen.

Als die W-Masse ursprünglich auf der Grundlage des Standardmodells berechnet wurde, war die Masse zu niedrig. Das Problem ist, dass die Masse aller massiven Teilchen durch die Masse anderer Teilchen beeinflusst wird. Diese werden als Quantenkorrekturen bezeichnet.
So wird beispielsweise das W-Boson durch Quantenkorrekturen aus der Wechselwirkung mit anderen Teilchen, wie dem Top-Quark und dem Higgs-Boson, beeinflusst.

Der Grund dafür, dass die Masse eines Teilchens durch die Masse anderer Teilchen beeinflusst wird, liegt darin, dass auf der Quantenebene alle Teilchen Anregungen in Feldern sind. Dies ist die Grundlage der Quantenfeldtheorie. Die Größe dieser Erregungen in dem Feld ist das, was wir als Masse wahrnehmen. Und jedes gegebene Feld wirkt sich auf andere Felder aus.

Die jahrzehntelangen Messungen der Masse des W-Bosons lagen alle innerhalb der Vorhersage des Standardmodells, wenn man den Fehlerbalken oder die Unsicherheit berücksichtigt… bis jetzt. Dieses neue Ergebnis weist eine noch nie dagewesene niedrige kombinierte Unsicherheit auf, so dass in diesem Fall die statistischen Unsicherheiten die Abweichung nicht ausgleichen können.
Was bedeutet das nun? Es gibt drei mögliche Erklärungen:

  1. Die Berechnungen sind falsch.
  2. Das Experiment oder die Analyse ist fehlerhaft.
  3. Es gibt eine neue, unbekannte Physik, die die Masse beeinflusst.

Option 1 ist unwahrscheinlich. Option 2 ist wahrscheinlicher. Wenn aber niemand einen Fehler im Experiment findet, dann ist Option 3 wahrscheinlich richtig. Das würde bedeuten, dass es eine neue Physik gibt, die im Standardmodell fehlt.

Neue Messungen des CERN könnten uns helfen, festzustellen, ob das Ergebnis richtig oder falsch ist, je nachdem, ob sie dasselbe Ergebnis wiederholen.

#WBoson

#electroweaktheory

Es ist möglich, dass die Masse des W-Bosons schwerer sein sollte, aber es gibt ein Problem mit unserem Verständnis des Top-Quarks, des Higgs- oder des Z-Bosons, da sie sich ebenfalls auf die Masse des W auswirken. Es könnte auch sein, dass es weitere Quantenkorrekturen gibt, z. B. durch ein unbekanntes dunkles Materieteilchen, die wir nicht berücksichtigen.

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