W Boson unterschreitet 5 Promille

2009-03-12 Daniel Grumiller

Das W-Boson ist eines der Vektorbosonen die 1983 am CERN entdeckt wurden - ein massives, geladenes Analogon zum Photon und Übermittlerteilchen der schwachen Kernkraft. Seine Masse wurde nun zum ersten Mal mit einer Genauigkeit von 5 Promille gemessen: MW=80.401 +/- 0.044 GeV.

Die Präzissionsmessung stammt von der D0 Kollaboration am Fermilab. Wegen der grossen Genauigkeit dieser Messung lassen sich nun auch striktere Einschränkungen für das Higgs-Teilchen ableiten, das vielleicht in den nächsten Jahren am LHC entdeckt werden wird.

Das geladene W-Boson wurde zusammen mit dem neutralen Z-Boson um 1968 herum von Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt. Diese Teilchen sind sehr massiv, im Gegensatz zum Photon welches masselos ist. Ansonsten sind diese Bosonen dem Photon sehr ähnlich: sie haben ganzzahligen Spin, nämlich Spin 1, und sie übermitteln Wechselwirkungen. Im Falle des Photons die elektromagnetische Wechselwirkung, im Falle der W- und Z-Bosonen die schwache Wechselwirkung, die z.B. für den beta-Zerfall verantwortlich ist (ein Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-anti-Neutrino).

Lange Zeit galten Theorien mit massiven Photonen oder Vektorbosonen als inkonsistent - das ist der Hauptgrund, warum wir uns so sicher sind, dass Photonen keine Masse haben. Im Zusammenspiel mit dem bislang verborgen gebliebenen Higgs-Teilchen ergibt die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung mit massiven Vektorbosonen durchaus Sinn: bei hohen Energien verhalten sich die Vektorbosonen ähnlich wie Photonen, bei niedrigen Energien jedoch erhalten sie eine Masse durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen. Formal lässt sich das so ausdrücken: Die Theorie ist konsistent, weil die Vektorbosonen keinen expliziten Massenterm in der Wirkung haben, sondern ihre Masse durch spontane Symmetriebrechung erhalten. Die Theorie enthält also mehr Symmetrie als manche ihrer Lösungen - ähnlich wie beim Roulette, das zwischen den 37 Zahlen symmetrisch ist, aber jede "Lösung" bei der die Kugel auf eine bestimmte Zahl fällt bricht diese Symmetrie.

Experimentell stellte sich natürlich die Frage: wenn die Vektorbosonen eine Masse haben, wie gross ist diese Masse? Erstaunlicherweise kam eine erste Antwort nicht von Experimentatoren, sondern von einem theoretischen Physiker, Gerard `t Hooft. In der 1971 veröffentlichten Arbeit "Predictions for neutrino - electron cross-sections in Weinberg`s model of weak interactions" gibt `t Hooft bereits eine gute Abschätzung der W- und Z-Massen, grösser als etwa 50 GeV. Das war für damalige Verhältnisse eine sehr grosse Masse, ca. 50 mal so schwer wie ein Proton, und bis heute kennen wir nur ein einziges Teilchen das noch schwerer ist (das top-quark mit Mtop=172.6 +/- 1.4 GeV).

Durch bahnbrechende Innovationen am CERN - z.B. die stochastische Kühlung von Simon van der Meer, die verhindert, dass sich die Teilchenpakete transversal zu sehr ausdehnen bevor sie kollidieren - gelang am Super Proton Synchrotron (SPS) durch Kollision von Protonen mit anti-Protonen schliesslich 1983 die Entdeckung der W- und Z-Bosonen. Das SPS existiert übrigens heute noch als Vorbeschleuniger für den LHC, der heuer in Betrieb gehen wird. Die Masse der W-Bosonen wurde damals mit etwa 80 GeV angegeben, allerdings mit relativ grossen Ungewissheiten, etwa im 10% Bereich.

Die Präzissionsmessung der D0-Kollaboration am Fermilab ist nicht nur für sich genommen interessant - wir kennen nun die W-Masse auf ein halbes Promille genau! Diese Messung erlaubt auch Einschränkungen an das Higgs-Teilchen und Physik jenseits des Standardmodells zu liefern. Das Higgs-Teilchen ist der letzte fehlende Baustein des Standardmodells der Teilchenphysik und eine der wesentlichen Motivationen für den LHC.

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