Spuren einer neuen Kraft

Ein Experiment am Cern liefert Hinweise darauf, dass das bisherige Standardmodell der Teilchenphysik nicht ausreicht, um das Universum zu erklären.

Das letzte Wort ist in der Physik noch lange nicht gesprochen: Teilchenbeschleuniger LHC am Cern. Foto: Science Photo Library SPL

Das letzte Wort ist in der Physik noch lange nicht gesprochen: Teilchenbeschleuniger LHC am Cern. Foto: Science Photo Library SPL

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Ist nicht längst alles gefunden, was es zu finden gibt, in der Welt der Elementarteilchenphysik? War nicht das 2012 am Forschungszentrum Cern entdeckte Higgs-Boson der letzte fehlende Baustein, um das mikrokosmische Fundament des Universums zu erklären? Das berühmte Gottesteilchen?

Mitnichten. Der aktuell bekannte Bauplan des Universums, das sogenannte Standardmodell, beschreibt zwar mit grosser, zum Teil erstaunlicher Genauigkeit viele Phänomene der Quantenwelt. Aber es versagt in fundamentalen Fragen, zum Beispiel, wenn die Gravitation eingewoben werden soll in das universale Formelwerk.

Abweichungen vom Standardmodell

Es muss also noch mehr zu entdecken geben in den Teilchenlaboren dieser Welt. Doch auf der Suche nach neuer Physik schienen die Physiker jahrelang lediglich im Dunklen zu tappen. Beinahe zu ihrem Missvergnügen mussten sie erleben, dass immer neue Messungen besser zu ihrem Standardmodell passten, als sie es sich jemals erhofft hatten.

Nun mehren sich jedoch Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodells. Bei der Auswertung neuer Daten vom grössten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum Cern bei Genf, stiessen Forscher eines Experiments namens LHCb in den vergangenen Jahren auf Abweichungen vom Standardmodell. Letzteres beschreibt mathematisch alle bekannten Fundamentalpartikel sowie die Kräfte, welche zwischen ihnen wirken. Vor Jahrzehnten brachte es endlich Ordnung in den zuvor unübersichtlichen Teilchenzoo. So unterscheiden die Physiker heute, abgesehen vom Higgs-Boson, nur zwei grundlegende Teilchensorten mit je sechs Vertretern: einerseits die sechs Quarks, von denen die zwei leichtesten die Protonen und Neutronen formen, also die Atomkerne aller chemischen Elemente, und andererseits sechs Leptonen – darunter das bekannte Elektron mit seinen massereicheren Cousins, dem Myon und dem Tau, sowie drei dazu passende, nahezu masselose Neutrinos.

Tor zu neuen Naturgesetzen

Vier Kräfte regieren diesen Teilchenzoo: die starke und schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Kraft sowie die Gravitation. Manche der Teilchen sind gegen eine oder mehrere dieser Kräfte immun. Was Quarks und Leptonen dabei hauptsächlich unterscheidet: Quarks reagieren auf die starke Kernkraft, welche unter anderem die Atomkerne zusammenhält, Leptonen hingegen gar nicht. Und was die schwache Wechselwirkung betrifft, die unter anderem für Radioaktivität verantwortlich ist: Sie wirkt, wie auch der Elektromagnetismus, auf die drei Leptonen Elektron, Myon oder Tau in exakt gleicher Weise – trotz der drastisch verschiedenen Teilchenmassen.

Dieses hehre Prinzip, Fachleute sprechen etwas hochtrabend von «Lepton-Universalität», bildet eine wichtige Säule des Standardmodells. Doch lassen die neuen Messungen im Rahmen des LHCb-Experiments nun ahnen, dass es doch eine Ungleichbehandlung in der Welt der Leptonen geben könnte. Öffnet sich hier ein Tor zu neuen Naturgesetzen?

Werden bald neue Elementarteilchen im Beschleuniger entdeckt?

«Das Standardmodell der Teilchenphysik ist zugleich brillant und völlig verfehlt», seufzte einmal ein Theoretischer Physiker. Einerseits erklärt es die in Teilchenbeschleunigern beobachteten Fundamentalprozesse mit fantastischer Genauigkeit. Andererseits liefert es keine Einsicht in die Gravitation, auch nicht in die kosmisch relevante dunkle Materie oder die noch rätselhaftere dunkle Energie. Auch bleibt in diesem Rahmen offen, warum Protonen und Elektronen eine, wenn auch gegensätzliche, exakt gleich starke elektrische Ladung haben. Oder warum es genauso viele Quarks geben sollte wie Leptonen.

Dass es eine neue Physik geben muss, ist unter Forschern kein Streitpunkt mehr. «So ist schon lange bewiesen», sagt der Theoretische Physiker Andreas Crivellin vom Paul-Scherrer-Institut in Villigen, «dass Neutrinos eine Masse haben, auch wenn sie sehr klein ist.» Laut Standardmodell müsste sie jedoch gleich null sein.

Die Alarmglocken läuten

Beim Zerfall des zweitschwersten der sechs Quarks, des «Bottom-Quarks», in die beiden schwereren Leptonen Myon und Tau stiessen Crivellin und Forscherkollegen jetzt auf deutliche Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells. Wie sie kürzlich im Fachblatt «Journal of High Energy Physics» konstatierten, weisen diese «mit hoher Signifikanz» auf eine «neue Physik» hin. Die lange unangefochtene Lepton-Universalität scheint damit schwer in die Defensive zu geraten.

Bei diesem Ergebnis läuten sozusagen die Alarmglocken. Noch wird der Begriff einer «Entdeckung» am Cern offiziell vermieden, da die Bedeutung der Messung sich noch erhärten soll. Doch sollte sich die Sache bestätigen, so scheint es eine neue, im Standardmodell nicht vorgesehene Kraft zu geben, welche auf die drei geladenen Leptonen – Elektron, Myon und Tau – eben doch unterschiedlich einwirkt. Crivellin: «Am stärksten auf die Tauonen, etwas moderater auf Myonen, schwach oder gar nicht auf Elektronen.»

Zeigt sich hier die Signatur ganz neuer Elementarteilchen? «Mein Favorit sind die sogenannten Leptoquarks», bekennt Andreas Crivellin. Diese hätten die ungewöhnliche Eigenschaft, gleichzeitig mit Quarks und Leptonen wechselwirken zu können. Eine im bisherigen Standardmodell unerhörte Teilchenvariante. Falls sie existiert, könnten sie die Umwandlung von Quarks in Leptonen und umgekehrt bewirken. Zugleich würden Leptoquarks erklären, warum Protonen und Elektronen die gleiche elektrische Ladung tragen. Die Idee ist nicht neu: Postuliert wurden Leptoquarks bereits vor Jahrzehnten in mehreren Modellen zur Erweiterung des Standardmodells, so auch 1974 von den amerikanischen Theoretikern Howard Georgi und Sheldon Glashow.

«Noch haben wir weder solche noch andere neue Teilchen gefunden», beschwichtigt Crivellin. Die neuartigen Leptoquarks könnten sogar eine für heutige Teilchenbeschleuniger erreichbare Masse haben – und dementsprechend eines Tages als handfeste Signatur in den Messdaten auftauchen. Womöglich sind sie nur zehn- bis zwanzigmal so schwer wie das Higgs-Boson. «In diesem Fall könnten Leptoquarks bereits in naher Zukunft am LHC entdeckt werden.»

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 11.06.2018, 17:54 Uhr

Gigantische Zahlen

Unvorstellbare Leistung am Cern

50'000'000

oder 50 Millionen Gigabyte Daten erzeugen am Cern alle vier Experimente des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) pro Jahr. Das entspricht ungefähr einem 12 Kilometer hohen Stapel aus 10 Millionen DVDs.

120

Megawatt elektrische Leistung benötigt der LHC. Das entspricht etwa dem Strom­bedarf von einem Drittel aller Haushalte im Kanton Genf.

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