Teilchen-Forschung
Gibt es eine unbekannte Naturkraft? Das Standardmodell der Teilchenphysik wankt

Was hält uns zusammen? Vielleicht auch eine noch unentdeckte Naturkraft. Eine aufregende Entdeckung des Cern in Genf stellt eine Abweichung zum bisherigen Standardmodell der Teilchenphysik fest.

Bruno Knellwolf
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Ein Detektor des Teilchenbeschleunigers LCH (Large Hadron Collider) des europäischen Cern in Genf.

Ein Detektor des Teilchenbeschleunigers LCH (Large Hadron Collider) des europäischen Cern in Genf.

Zvg Cern / WIS

Vielleicht gibt es eine Physik jenseits des bis heute gültigen Standardmodells der Teilchenphysik. Grund dafür könnte eine neue, bisher unentdeckte fünfte Naturkraft sein. Sollten sich die Hinweise weiter erhärten, wäre diese eine Entdeckung, die vielleicht sogar den 2012 ebenfalls am Cern gelungenen Nachweis des Higgs-Teilchens überträfe.

Das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik in Genf hat bei Messungen mit seinem Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) eine Abweichung zum Standardmodell festgestellt. Deshalb sagt Chris Parkes, Professor in Manchester und am Cern, dass eine Bestätigung der Fehlerhaftigkeit auf einen neuen physikalischen Prozess und auf die Existenz neuer fundamentaler Teilchen oder Wechselwirkungen hindeuten würde. Eine bis anhin verborgene Naturkraft, welche einige Rätsel um das Standardmodell erklären könnte.

Teilchen, die am Anfang des Universums stehen

Mit dem Teilchenbeschleuniger LHC in einem 27 Kilometer langen Tunnel wird am Cern nach Teilchen gesucht, die am Anfang des Universums stehen und damit unser Sein erklären. Dafür lassen die Physiker im Tunnel Protonenstrahlen kreisen und miteinander kollidieren. Mit dieser Kollisionsenergie sollen der Urknall, der vor 14 Milliarden Jahren am Ursprung des Universums gestanden haben soll, simuliert und jene Teilchen entdeckt werden, welche die uns umgebende Materie sowie das sichtbare Universum beschreiben.

Alles Sichtbare besteht aus zwölf Teilchen

Das in den Jahren 1961 bis 1973 entwickelte Standardmodell der Teilchenphysik liefert derzeit unsere beste Beschreibung der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen. Elementarteilchen sind die kleinsten Bauteile der Materie. Gemäss dem Modell besteht alles Sichtbare aus zwölf Materieteilchen, die Bestandteile des Atomkerns, der Protonen und Neutronen sind. Dazu gehören sechs Quarks und sechs Leptonen sowie deren Antiteilchen. Kraftteilchen sind für die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen verantwortlich. Die Teilchen besitzen eine Masse und zum Teil eine elektrische Ladung.

Die Wechselwirkungen oder Kräfte zwischen den Teilchen halten die Materie zusammen. Sonst würde die Welt um uns herum in ihre winzigsten Bestandteile zerfallen.

Teilchen sollten identische Stärken der Wechselwirkungen haben

Die Theorie des Standardmodells der Teilchenphysik sagt nun voraus, dass die verschiedenen geladenen Leptonen identische Wechselwirkungsstärken haben. Das wird Leptonen-Universalität genannt.«Frühere Messungen haben gezeigt, dass eine Vielzahl von Teilchenzerfällen mit dem Prinzip dieser Leptonen-Universalität der Standardtheorie übereinstimmt», schreibt das Cern.

Doch nun zeigen die neusten Daten Abweichungen. Herausgefunden haben die Forschenden das mit dem Detektor des LHCb-Experiments, das darauf ausgelegt ist, Zerfälle von Teilchen zu untersuchen, die ein Beauty-Quark enthalten.

Der Zerfall ist unterschiedlich, das ist eine Anomalie

Die Kollisionsdaten der Protonen zeigen zwei verschiedene Arten von Zerfällen von Beauty-Quarks. Die Zerfälle der Elementarteilchen sollten eigentlich mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auftreten. Das tun sie aber nicht. Im Standardmodell der Teilchenphysik liegt das Verhältnis des Zerfalls nahe bei 1. Im Cern-Experiment nun aber bei 3,1.

Die gestern vorgestellte Abweichung habe sich schon in Mustern von Anomalien gezeigt, die bei ähnlichen Prozessen am LHCb und anderen Experimenten weltweit während des letzten Jahrzehnts gemessen wurden, schreibt das Cern. Doch die neuen Ergebnisse am LHCb bestimmten das Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten mit grösserer Präzision.

Eine Erklärung für die Störung der Leptonen-Universalität gibt es nicht

Nun seien mit den neuen Resultaten des LHCb-Experiments neue Studien zu verwandten Prozessen in Arbeit. «Wir sind gespannt, ob diese Studien die faszinierenden Hinweise der aktuellen Ergebnisse verstärken», sagt Parkes.

Eine Erklärung für die Störung der Leptonen-Universalität hat noch niemand bereit. Genannt wird das Vorhandensein von Leptoquarks, die gemäss verschiedenen Theorien eine Verbindung von sichtbarer mit der dunkler Materie herstellen könnten. Sicherer ist, dass der Detektor LHCb am Cern nun aufgerüstet und im Jahr 2022 wieder laufen wird. Und dann die neue Naturkraft bestätigen oder verschwinden lassen wird.