Na extreem nauwkeurige metingen via botsingen in de Large Hadron Collidor in het CERN, werd de massa van W-boson, een elementair deeltje waarvan het bestaan bevestigd is in 1983, eindelijk correct gemeten. Nu voldoet de massa wél aan de verwachtingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Beeld: De Compact Muon Solenoid bepaalde de massa van het W-boson.
Wetenschappers krijgen soms een punthoofd van het meten van massa’s van elementaire deeltjes. Die kunnen namelijk anders uitdraaien dan verwacht. Dat kan ons begrip van natuurkundige processen – en zelfs van de kosmos – op de helling zetten, of in spannende gevallen, nieuwe fysica opleveren. Bij een meting in 2022 pakte het W-boson te zwaar uit. Dat kon het standaardmodel van de deeltjesfysica doen wankelen. Fysici kwamen toen met allerlei verklaringen op de proppen. Maar die bleken overbodig, want er is net een nieuwe massa gepubliceerd in Nature.
Past al gegoten
Eén enkel W-boson weegt nu 80.360 ± 9,9 MeV (megaelektron volt). Daarbij past het als gegoten in het standaardmodel. Maar waarom moet de massa eigenlijk in dat model passen en niet omgekeerd? Dat vroegen we aan Pierre Van Mechelen, deeltjesfysicus aan de Universiteit van Antwerpen. Zijn team gebruikt het W-boson om het meer bekende higgsboson te bestuderen. Hij is lid van het grote CMS-samenwerkingsverband (Compact Muon Solenoid) dat de massa van het W-boson bepaalde.
‘Het standaardmodel is de kwantumveldentheorie die alle bekende elementaire deeltjes – die samen alle materie vormen – en drie van de vier fundamentele natuurkrachten verenigt: de elektromagnetische, zwakke, en sterke wisselwerking, met uitzondering van de zwaartekracht. Dat model is buitengewoon succesvol gebleken omdat het uiterst precieze voorspellingen oplevert die tot nu toe allemaal experimenteel bevestigd zijn.’
Zwakke kernkracht
Het W-boson is 80 keer zo zwaar als een proton en dus zwaarder dan een ijzeratoom. Het bestaat slechts kortstondig als andere elementaire deeltjes botsen, en valt dan uiteen in nieuwe deeltjes. W staat voor ‘weak’, de zwakke kernkracht overgebracht door het W-boson.
‘Het leven op aarde zou onmogelijk geweest zijn zonder dit deeltje’
‘Het W-boson is verantwoordelijk voor radioactief verval en maakt interacties mogelijk tussen quarks en leptonen’, gaat Van Mechelen verder. ‘Daarnaast is de omzetting van een proton naar een neutron via het uitzenden van een W-boson een belangrijke stap bij kernfusie in onze zon. Het leven op aarde zou dus onmogelijk geweest zijn zonder dit deeltje.’
‘De massa van het W-boson werd gemeten door protonen tegen elkaar te doen knallen in de Large Hadron Collidor. Daarbij onderzochten we hoe W-bosonen ontstaan en vervolgens vervallen naar een muon en een muon-neutrino. Het Compact Muon Solenoid experiment is uitermate geschikt om muonen te detecteren, hun energie en impuls te meten, en daar W-bosonen uit af te leiden. Om een hoge nauwkeurigheid te waarborgen werd een grote hoeveelheid gegevens verzameld zodat de statistische onzekerheid klein bleef. De systematische onzekerheid werd via de nieuwste technieken verlaagd. De meting van het CMS werd bovendien onafhankelijk bevestigd door andere experimenten.’
Toch zijn afwijkende metingen van elementaire deeltjes zoals in vorige jaren absoluut geen verspilde moeite. ‘Het zijn indirecte manieren om fysica voorbij het standaardmodel te ontdekken.’ Precisie-experimenten blijven dus belangrijk om nieuwe geheimen aan de kosmos te ontfutselen, deeltje per deeltje.
