Physik

"Völlig neue Welt der Kräfte" aus dem Teilchenbeschleuniger

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Datenfunde von US-Wissenschaftlern aus dem Teilchenbeschleuniger weisen auf neue Elementarteilchen und eine Grundkraft hin.

Chicago/Hamburg. US-Forscher haben in Messungen ungewöhnliche Daten entdeckt. Sie könnten auf neue Elementarteilchen hindeuten, zwischen denen eine bisher nicht nachgewiesene Wechselwirkung besteht - zurückzuführen auf eine fünfte, noch unbekannte Grundkraft der Physik. Die Beobachtungen könnten "zu einer völlig neuen Welt der Kräfte führen", sagte der Wissenschaftler Giovanni Punzi vom Labor Fermilab in Chicago. Sie hätten "ganz andere Merkmale" als die bekannten Gewalten. Gemeint sind die vier anerkannten Grundkräfte der Physik, die allen physikalischen Phänomenen in der Natur zugrunde liegen: Gravitation, elektromagnetische Kraft, starke und schwache Kernkraft.

Die Fermilab-Forscher betreiben Tevatron, den weltweit zweitstärksten Teilchenbeschleuniger mit sechs Kilometer Umfang. In den zwei Beschleunigungsringen der Anlage lassen sie Protonen und Antiprotonen miteinander kollidieren, wobei eine Vielzahl unterschiedlicher Teilchen entstehen kann. Damit stehen sie in direkter Konkurrenz zu den Forschern des europäischen Kernforschungszentrums Cern in Genf, die ihre Tests am LHC durchführen, der Nummer eins unter den Teilchenbeschleunigern.

Daten aus dem Beschleuniger zeigteneinen Überraschenden Überschuss

Beide Forschergruppen suchen nach dem Higgs-Boson. Das auch als "Gottesteilchen" bekannte Partikel verleiht der Theorie nach allen anderen Elementarteilchen ihre Masse; es ist das letzte Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, das noch nicht nachgewiesen werden konnte. Das Modell führt den Aufbau der sichtbaren Materie im Wesentlichen auf drei Sorten von Teilchen zurück, zu denen zum Beispiel die Elektronen, Quarks und Photonen gehören. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass Quarks Protonen bilden - jene Teilchen, mit denen Fermilab und Cern experimentieren.

Inwiefern die Entdeckung der US-Forscher mit dem Teilchenmodell und den Grundkräften der Physik zusammenhängt, erläutert Prof. Bernd Kniehl vom II. Institut für Theoretische Physik an der Uni Hamburg. Sein Spezialgebiet sind Vorhersagen für Experimente in Teilchenbeschleunigern. Kniehl zufolge haben sich die Wissenschaftler bei der Kollision von Protonen und Antiprotonen auf Ereignisse konzentriert, die neben dem sogenannten W-Boson, das die schwache Kraft vermittelt, zwei sogenannte Jets aus Hadronen enthalten, Teilchen mit starker Wechselwirkung. Hadronen-Jets, so vermuten Physiker, entstehen aus einem zerfallenden Teilchen - aus welchem, ist unklar, es könnte sich dabei aber auch um das gesuchte Higgs-Teilchen handeln.

Die Analyse der Daten zeigte einen überraschenden Überschuss, eine sogenannte Resonanz, die allerdings 300-mal größer war, als man es für das Higgs-Teilchen erwarten würde. Auch alle anderen Elementarteilchen aus dem Standardmodell kommen als Verursacher nicht infrage. Stattdessen könnte es sich um "Technifermionen" handeln, bisher noch unbestätigte Elementarteilchen, die das Standardmodell erweitern würden. Diese Teilchen binden sich aneinander durch eine bisher unbestätigte Wechselwirkung, "Technicolor" genannt, bei der es sich um die besagte fünfte physikalische Grundkraft handeln könnte. Eine solche Verbindung aus Technifermionen könnte das "Technipion" sein, ein neues Teilchen, das in die zwei Hadronen-Jets zerfällt, was den überraschenden Überschuss in den Daten erklären würde.

Womöglich sind die Abweichungen nur eine statistische Fluktuation

Was ist nun dran an diesen Thesen? Physiker bezeichnen das statistische Maß für die Abweichung von einer Norm als Standardabweichung. "Bei fünf Standardabweichungen kann man von einer neuen Entdeckung sprechen. Die Daten von Fermilab zeigen aber nur 3,2 Standardabweichungen - das ist eigentlich zu wenig, um die Thesen halten zu können", sagt Kniehl. "Womöglich handelt es sich nur um eine statistische Fluktuation. Vielleicht liegt Fermilab aber auch richtig." Die nun folgende Diskussion sei eine "sehr spannende Sache", sagt Kniehl. "Jetzt muss man der Community Zeit geben, andere Erklärungsansätze zu liefern."

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