Die schwache Kernkraft ist eine der vier Grundkräfte. Sie wirkt immer dann, wenn Atome zerfallen oder miteinander verschmelzen – beispielsweise beim radioaktiven Betazerfall oder der Fusion von Wasserstoffkernen in der Sonne. Vermittelt wird die schwache Wechselwirkung über zwei Trägerteilchen – das W- und das Z-Boson. Das erst 1983 nachgewiesene W-Boson ist auch einer der Grundpfeiler für das Standardmodell der Teilchenphysik. Denn seine Masse und Wechselwirkung sind auch mit der elektromagnetischen Grundkraft und mit den Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks verknüpft. Entsprechend wichtig ist es, die Masse des W-Bosons möglichst genau zu kennen. Frühere Messungen hatten dafür Werte ergeben, die zu den Vorhersagen des Standardmodells zu passen schienen.
Wie schwer ist das W-Boson?
Im Jahr 2022 jedoch änderte sich dies: Physiker der CDF-Kollaboration in den USA ermittelten die Masse des W-Bosons mithilfe von Daten des Tevatron-Teilchenbeschleunigers so präzise wie nie zuvor – aber kamen auf überraschend hohe Werte. Mit einer Masse von 80.433,5 Megaelektronenvolt ± 9,4 war das W-Boson deutlich schwerer als es der Theorie nach sein dürfte. „Die starke Diskrepanz zwischen diesem Ergebnis und dem Standardmodell sowie früheren Messungen repräsentiert ein Rätsel der Teilchenphysik“, erklären die Physiker der CMS-Kollaboration am Forschungszentrum CERN bei Genf. „Wenn man die CDF-Messergebnisse als korrekt ansieht, muss man davon ausgehen, dass es eine Physik jenseits des Standardmodells gibt“, ergänzt Co-Autor Christoph Paus vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ob das wirklich so ist, haben die Physiker jetzt anhand von Daten des Large Hadron Collider (LHC) am CERN überprüft – desm größten Teilchenbeschleuniger der Welt.
Die Physiker der CMS-Kollaboration haben für ihre Analyse die Daten von mehr als einer Milliarde Protonenkollisionen im LHC nach Ereignissen untersucht, bei denen ein W-Boson entstand und anschließend in ein Neutrino und ein Myon zerfiel. „Das W-Boson existiert nur für einen winzigen Augenblick – nur rund 10-24 Sekunden, bevor es in die beiden Teilchen zerfällt“, erklärt Co-Autor Kenneth Long vom MIT. Während das Neutrino mit den Detektoren nicht messbar ist, reagiert das Myon auf die Magnetfelder im CMS-Experiment des LHC und lässt sich einfangen. In den Daten identifizierte das Team rund 117 Millionen Protonenkollisionen, bei denen ein solches Myon entstand und gemessen wurde. Aus dem Impuls und der Masse des Myons lässt sich die Masse des W-Bosons ermitteln. Um mögliche Störeffekte auszuschließen, nutzten die Physiker zusätzlich Simulationen, mit denen sie alle potenziellen Einflüsse rekonstruierten und mit den Daten abglichen.
Standardmodell bestätigt, 2022er Messung nicht
Die Analysen ergaben eine Masse für das W-Boson, die bei 80.360,2 ± 9,9 Megaelektronenvolt (MeV) liegt. „Dieses Resultat stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells überein“, konstatieren die Physiker der CMS-Kollaboration. Noch wichtiger jedoch: Die Präzision der neuen Messung ist genauso hoch wie die der CDF-Messung aus dem Jahr 2022 am Tevatron – ergibt aber eine deutlich geringere Masse für das W-Boson als jene. Das stärkt die Annahme, dass die zu hohe Masse des W- Bosons ein möglicherweise messbedingter Ausreißer ist, wie die Physiker erklären: „Die Kombination unseres sehr präzisen Resultats mit denen früherer Experimente, die ebenfalls den Vorhersagen des Standardmodells entsprechen, bestätigt dieses“, sagt Long. „Unsere neue Messung bestärkt uns darin, dass wir dem Standardmodell vertrauen können – das ist ehrlich gesagt eine große Erleichterung.“
Nach Ansicht der Physiker validiert ihre Messung gängige Annahmen zum W-Boson und der schwachen Kernkraft. Das sei eine wichtige Bestätigung physikalischer Theorien. Dennoch halten Long und seine Kollegen es für wichtig, weiter zu forschen und zu messen. „Wir sind damit noch nicht durch. Wir wollen weitere Daten hinzunehmen und unsere Analysentechniken weiter verfeinern“, sagt Paus. „Dann können wir sicherer sagen, ob wir diesen fundamentalen Baustein unseres physikalischen Weltbilds wirklich verstanden haben.“
Quelle: The CMS Collaboration, Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10168-5
