Die CMS-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) hat die genaueste Messung der Masse des wahren oder Top-Quarks (t-Quark), des schwersten bekannten Elementarteilchens, durchgeführt. Das neueste CMS-Ergebnis schätzt die Top-Quark-Masse mit einer Genauigkeit von etwa 0,22 %. Erhebliche Genauigkeitsgewinne werden durch neue Analysemethoden und verbesserte Verfahren erzielt, die eine sequentielle und gleichzeitige Verarbeitung verschiedener Messfehler ermöglichen.
Eine genaue Kenntnis der Masse des Top-Quarks ist von größter Bedeutung, um unsere Welt im kleinsten Maßstab zu verstehen. Die exakte Masse dieses schwersten Elementarteilchens zu kennen, ist von entscheidender Bedeutung, um die interne Konsistenz der mathematischen Beschreibung aller Elementarteilchen, des so genannten Standardmodells, überprüfen zu können.
Wenn zum Beispiel die Massen des W-Bosons und des Higgs-Bosons genau bekannt sind, kann die Masse des Top-Quarks durch das Standardmodell vorhergesagt werden. In ähnlicher Weise kann man unter Verwendung der Massen des Top-Quarks und des Higgs-Bosons die Masse des W-Bosons vorhersagen.
Interessanterweise ist die Definition der Masse in der theoretischen Physik, die mit dem Effekt quantenphysikalischer Korrekturen verbunden ist, trotz erheblicher Fortschritte für das Top-Quark immer noch schwer zu bestimmen.
Und bemerkenswerterweise hängt unser Wissen über die Stabilität unseres Universums von unserem gemeinsamen Wissen über die Massen des Higgs-Bosons und des Top-Quarks ab. Wir wissen nur mit der Genauigkeit moderner Messungen der Top-Quark-Masse, dass das Universum einem metastabilen Zustand sehr nahe kommt.
Wenn die Masse des Top-Quarks etwas anders wäre, wäre das Universum auf lange Sicht weniger stabil und würde möglicherweise bei einem katastrophalen Ereignis wie dem Urknall verschwinden.
Für die endgültige Messung der Top-Quark-Masse unter Verwendung von LHC-Proton-Proton-Kollisionsdaten, die 2016 vom CMS-Detektor gesammelt wurden, hat das CMS-Team fünf verschiedene Eigenschaften von Kollisionsereignissen gemessen, bei denen ein Paar von Top-Quarks erzeugt wird, anstatt der drei Eigenschaften die in früheren Analysen gemessen wurden. Diese Eigenschaften hängen von der Masse des Top-Quarks ab.
Darüber hinaus führten die Wissenschaftler eine äußerst genaue Kalibrierung der CMS-Daten durch und gewannen ein tiefes Verständnis der verbleibenden experimentellen und theoretischen Unsicherheiten und ihrer gegenseitigen Abhängigkeiten.
Mit dieser innovativen Methode wurden alle diese Unsicherheiten auch während des mathematischen Fittings extrahiert, das die endgültige Top-Quark-Masse bestimmt, was bedeutete, dass einige der Unsicherheiten viel genauer geschätzt werden konnten.
Das Ergebnis von 171,77 ± 0,38 GeV stimmt mit früheren Messungen und der Vorhersage des Standardmodells überein.
Die CMS-Kollaboration hat mit dieser neuen Methode zur Messung der Masse des Top-Quarks einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht. Die erweiterte statistische Handhabung von Unsicherheiten und die Verwendung von mehr Eigenschaften haben die Messungen erheblich verbessert.
Ein weiterer großer Schritt wird erwartet, wenn der neue Ansatz auf den größeren Datensatz angewendet wird, der 2017 und 2018 vom CMS-Detektor aufgezeichnet wurde.
2022-04-20 13:28:40
Autor: Vitalii Babkin