Einem Bericht auf der offiziellen Website der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) vom 25. zufolge nutzte das ATLAS-Kollaborationsteam am Large Hadron Collider (LHC) in einer aktuellen Studie das Z-Boson, einen elektrisch neutralen Träger der schwachen Kraft, um die Stärke der starken Kraft mit Rekordgenauigkeit (Unsicherheit unter 1 %) zu bestimmen. Relevante Arbeiten wurden bei der Zeitschrift Nature Physics eingereicht.
Das Standardmodell der Teilchenphysik besagt, dass es in der Natur vier grundlegende Kräfte gibt: die starke Kraft, die elektromagnetische Kraft, die schwache Kraft und die Schwerkraft, von denen die starke Kraft, die Quarks in Protonen, Neutronen und Atomkerne bindet, die stärkste ist. Die starke Kraft wird von Gluonen getragen und ihre Stärke wird als starke Kopplungskonstante bezeichnet. Obwohl sich das Verständnis der Wissenschaftler über die starke Kopplungskonstante über viele Jahre der Messungen und theoretischen Entwicklung verbessert hat, ist die Unsicherheit ihres Wertes immer noch um mehrere Größenordnungen größer als die ihrer anderen „Gefährten“.
Stefano Camarda, Physiker am CERN und Mitglied des Analyseteams, wies darauf hin, dass die Stärke der starken Kraft ein Schlüsselparameter des Standardmodells sei, ihre Genauigkeit jedoch derzeit nur wenige Prozent betrage, während die elektromagnetische Kraft, die 15-mal schwächer als die starke Kraft sei, eine Genauigkeit von einem Teil pro Milliarde habe.
Um die Genauigkeit der Messung der Stärke starker Kräfte zu verbessern, untersuchte das ATLAS-Kollaborationsteam das Z-Boson, das durch die Proton-Proton-Kollision am LHC mit einer Kollisionsenergie von 8 Teraelektronenvolt (TeV) entsteht. Ein Z-Boson entsteht typischerweise, wenn zwei Quarks in kollidierenden Protonen vernichten. Bei diesem Prozess wirkt die starke Kraft durch Gluonen, die vom vernichtenden Quark abgestrahlt werden. Diese Strahlung verleiht dem Z-Boson einen transversalen Impuls, dessen Größe von der starken Kopplungskonstante abhängt. Durch genaue Messung der Verteilung des Z-Boson-Querimpulses und Vergleich mit theoretischen Werten kann die starke Kopplungskonstante bestimmt werden.
In der neuesten Analyse bestimmte das Forschungsteam genau, dass die starke Kopplungskonstante auf der Z-Boson-Massenskala 0,1183 ± 0,0009 beträgt. Die relative Unsicherheit dieses Ergebnisses beträgt nur 0,8 %, was die bisher genaueste Messung der starken Stärke in einem einzelnen Experiment darstellt.
Das Forschungsteam wies darauf hin, dass präzisere Messungen starker Kopplungskonstanten von großer Bedeutung sind: Erstens kann dadurch die Genauigkeit theoretischer Berechnungen von Partikelprozessen im Zusammenhang mit der starken Kraft verbessert werden; Zweitens kann es dabei helfen, einige wichtige ungelöste Rätsel zu lösen. Zum Beispiel, ob bei extrem hohen Energien alle fundamentalen Kräfte die gleiche Stärke haben, und ob sie möglicherweise eine gemeinsame Quelle haben und ob es unbekannte Wechselwirkungen gibt, die die starke Kraft in bestimmten Prozessen oder bei bestimmten Energien verändern können usw.