De hoop op nieuwe natuurkunde wordt de grond in geboord door gewoon ogende W-bosonen op CERN

Een mogelijke scheur in het standaardmodel van de deeltjesfysica lijkt kleiner te worden, omdat nieuwe gegevens van de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in tegenspraak zijn met een voorheen verwarrend resultaat dat natuurkundigen enthousiast maakte over de mogelijkheid van nieuwe, exotische fysica – maar er blijven enkele mysteries bestaan.

“Het standaardmodel blijft voorlopig bestaan”, vertelde Josh Bendavid van het Massachusetts Institute of Technology op 17 september in een volle seminarzaal op CERN, het deeltjesfysica-laboratorium nabij Genève, Zwitserland. Het presenteerde nieuwe gegevens over de massa van het W-deeltje, een fundamenteel deeltje dat cruciaal is voor processen als nucleair verval en het bepalen van de massa van het Higgs-deeltje.

Vragen over de massa van het W-deeltje begonnen in 2022, toen natuurkundigen die werkten met gegevens van de Tevatron-botser in Fermilab in Illinois schokgolven door de deeltjesfysica-gemeenschap stuurden. Hun waarde voor de massa van het W-boson was duidelijk anders dan voorspeld door het Standaardmodel, ons beste beeld van hoe deeltjes en de krachten van het universum op elkaar inwerken, wat erop wijst dat natuurkundigen misschien iets gemist hebben.

Maar in 2023 twijfelden onderzoekers van CERN aan deze discrepantie, nadat ze oude gegevens die door de ATLAS-detector bij de LHC waren verzameld, opnieuw hadden geanalyseerd. Ze vonden een waarde voor de W-bosonmassa die opnieuw overeenkwam met de voorspelling van het Standaardmodel, waardoor de hoop op een afwijking van de bekende natuurkunde afnam.

Nu hebben Bendavid en collega’s een nieuwe waarde voor de W-bosonmassa geproduceerd, met behulp van nieuwe gegevens van de tweede detector van de LHC, de Compact Muon Solenoid (CMS), en een waarde gevonden van 80,353 miljoen elektronvolt (MeV), die met een onzekerheid van 6 MeV, komt overeen met het standaardmodel. De kleine onzekerheid maakt dit de meest nauwkeurige meting die bij de LHC is uitgevoerd, zei Bendavid.

Ashutosh Kotwal van Duke University in North Carolina, die leiding gaf aan de wetenschappelijke samenwerking die het Tevatron-resultaat opleverde, zegt dat het geweldig is om nog een meting van de W-bosonmassa te doen, maar omdat de LHC- en Tevatron-botsers verschillende methoden gebruiken om het deeltje te produceren, is het moeilijker om de resultaten te vergelijken. Martijn Mulders van CERN, die deel uitmaakt van de CMS-samenwerking, zegt echter dat dit verschil zal worden meegewogen in de algehele onzekerheid.

“In dit fundamentele bundelaspect zijn ATLAS en CMS identiek”, zegt Kotwal. “Wat ideaal zou zijn, zijn aanvullende of onafhankelijke gegevens over de Tevatron.” Helaas is de Tevatron in 2011 gesloten, dus er zullen geen nieuwe gegevens meer zijn.

Dit alles betekent dat het nog te vroeg is om te zeggen welke W-bosonmassameting correct is en dat de verschillen nog verklaard moeten worden. “Het eindigt niet met twee cijfers op tafel, het is het begin”, zegt Kotwal. “Dan beginnen we de wetenschappelijke en technische details van de procedures te bespreken. De waarheid is er: er is een massa W-bosonen in het universum. We proberen hem allemaal te vinden.”

Het model achter de CMS-berekeningen verschilt van het model dat wordt gebruikt om andere resultaten te verkrijgen, zegt Matthias Schott van CERN, die aan de ATLAS-samenwerking werkt. Dat maakt de afstemming met de resultaten met behulp van andere modellen een teken dat de kans groter is dat het correct is, zegt hij. “Dit geeft ons momenteel een extreem hoog vertrouwen”, zegt Schott. “Alle metingen komen zo goed met elkaar overeen, behalve één die er net naast zat, dus ik zou geneigd zijn te zeggen dat hiermee de zaak is afgehandeld.”

Mulders beaamt dat het nu aan Fermilab of de CDF-groep is om hun resultaat toe te lichten. ‘De meeste van mijn collega’s zullen nu geloven dat deze W-bosonmassametingen met elkaar en met de voorspelling van het Standaardmodel overeenkomen, en dat dit waarschijnlijk het juiste antwoord is, en dat het CDF-resultaat opmerkelijk is’, zegt Mulders. Schott en zijn collega’s bij ATLAS bereiden momenteel een geheel nieuwe meting van het W-boson voor, ook op basis van nieuwe gegevens, die de zaak zouden moeten helpen oplossen, zegt hij.