Möglicher Sensationsfund: Forscher rätseln über neue Naturkraft

Von Markus Becker

In der Physik bahnt sich eine Sensation an: Forscher haben möglicherweise eine bisher unbekannte Grundkraft der Natur entdeckt. Sollten sich die Daten aus einem US-Teilchenbeschleuniger bestätigen, wäre es wohl die wichtigste physikalische Entdeckung der vergangenen Jahrzehnte.

Teilchenbeschleuniger: Jagd nach neuen Kräften Fotos
Fermilab

Als die Forscher die Daten sahen, glaubten sie zunächst an einen Fehler. Wieder und wieder rechneten sie nach, doch das merkwürdige Signal aus dem "Tevatron"- Teilchenbeschleuniger am berühmten Fermilab bei Chicago wollte nicht verschwinden. "Das ist so neu, so erstaunlich, dass wir es selbst kaum glauben können", sagte Giovanni Punzi, Sprecher des internationalen Teams, das den Effekt entdeckt hat.

Die Messergebnisse könnten die wichtigste Entdeckung der Physik seit Jahrzehnten begründen. Seit Monaten rätseln Wissenschaftler weltweit, was sie da vor sich haben. Es könnte ein neues Elementarteilchen sein - oder sogar eine fünfte Grundkraft der Natur.

Vier Grundkräfte sind bisher bekannt (siehe auch linke Spalte):

  • die starke Kernkraft, die für den Zusammenhalt der Atome sorgt,
  • die schwache Kernkraft (sie ist wichtig für radioaktive Zerfallsprozesse und die Kernfusion),
  • die Gravitation
  • und die elektromagnetische Wechselwirkung.

Die neu entdeckte Kraft würde - falls sie denn wirklich existiert und es sich nicht um einen Rechenfehler handelt - zwar nur auf extrem kurze Distanzen wirken. Doch ihre Bestätigung würde die Physik erschüttern. "Das wäre so bedeutend, dass es uns beinahe ängstigt. Deshalb suchen wir nach alternativen Erklärungen", sagte Punzi der "New York Times".

"Völlig unerwarteter Effekt"

Andere Forscher stimmen zu, dass die Entdeckung enorm wichtig wäre. "Niemand weiß, was es ist", sagte Fermilab-Forscher Christopher Hill, der nicht Mitglied des Teams war. "Aber falls es echt ist, wäre es die bedeutendste physikalische Entdeckung der vergangenen 50 Jahre." Ähnlich äußerte sich Klaus Mönig, Leiter einer Arbeitsgruppe des "Atlas"-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) in Genf, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger. Sollten sich die Daten aus dem Fermilab bestätigen, wäre das "ungeheuer bedeutend", weil man es hier mit einem "völlig unerwarteten Effekt" zu tun habe.

Das mysteriöse Signal tauchte bei der Analyse einiger zehntausend Kollisionen zwischen Protonen und Antiprotonen auf, die im Tevatron nahezu lichtschnell aufeinander abgeschossen werden. Bei den Crashs entstehen teils exotische Partikel. Physiker wollen so den grundlegenden Geheimnissen der Natur auf die Spur kommen - bis hin zur Frage, was beim Urknall geschah.

Bei einigen der Kollisionen im Tevatron bemerkten die Forscher Merkwürdiges: Es entstanden zwei Strahlen leichter Partikel und ein schwergewichtiges Teilchen namens W-Boson. Die Gesamtenergie lag jeweils bei 144 Milliarden Elektronenvolt. Das geschah rund 250-mal öfter, als es die Physiker erwartet hatten - fast so, als sei es das Ergebnis des Zerfalls eines bisher unbekannten Elementarteilchens.

Dieses merkwürdige Teilchen würde etwa 160-mal so viel wiegen wie ein Proton. Damit kann es sich eigentlich nicht um das langgesuchte Higgs-Boson handeln - zumindest nicht um das, welches vom Standardmodell der Elementarteilchenphysik vorhergesagt wird. Das auch als "Gottesteilchen" bekannte Partikel verleiht der Theorie zufolge allen anderen Elementarteilchen ihre Masse.

Was das Higgs-Boson mit einem Party-Gerücht gemeinsam hat

Wie das funktioniert, hat der englische Physiker David Miller in einem Cocktailparty-Gleichnis veranschaulicht: Die Teilnehmer einer politischen Feier sind gleichmäßig im Raum verteilt. Plötzlich kommt Margaret Thatcher herein. Sie läuft durch die Menge, sofort bildet sich eine Traube um sie. Dadurch erhält sie eine größere Masse. Wenn sie weiterläuft, treten Partyteilnehmer, denen sie sich nähert, auf sie zu. Andere, von denen sie sich entfernt, wenden sich von ihr ab und wieder ihren ursprünglichen Gesprächspartnern zu.

"In drei Dimensionen und mit allen Komplikationen der Relativität ist das der Higgs-Mechanismus", schreibt Miller. Um Teilchen Masse zu verleihen, werde ein Hintergrundfeld erfunden, das lokal verbogen werde, sobald ein Teilchen sich durch das Feld bewege - das sogenannte Higgs-Feld.

Nun kommt das Higgs-Boson ins Spiel, das Miller mit einem Gerücht vergleicht: Es beginnt in einer Ecke, Leute stecken die Köpfe zusammen, um es zu hören. Dann wandert es in die andere Ecke - als Zusammenballung von Menschen. Solche Menschentrauben, die das Gerücht weitertragen, haben letztlich auch Thatcher Masse verliehen. Die Ex-Premierministerin war ein Teilchen, das Masse bekam. Das Gerücht - das für das Higgs-Boson steht - bildet ebenfalls Cluster und muss demnach auch eine Masse haben. Das Higgs-Boson ist im Standardmodell, das in seiner heutigen Form seit Mitte der siebziger Jahre existiert, als eine solche Zusammenballung des Higgs-Feldes vorhergesagt.

Direkt beobachtet wurde das Higgs-Boson allerdings noch nie, und auch in den rätselhaften Fermilab-Daten versteckt es sich offenbar nicht. Denn laut der Vorhersage aus dem Standardmodell müsste es in deutlich schwerere Partikel zerfallen, die außerdem 300-mal weniger oft entstünden als die Teilchen aus dem Fermilab.

"Das ist es, was den Effekt so außergewöhnlich macht", sagte Mönig zu SPIEGEL ONLINE. Das neue Elementarteilchen wäre "sehr schwer, sehr interessant und sehr fundamental", sagte Michael Witherell, Physiker an der University of California in Santa Barbara der "Los Angeles Times". "Es würde unser Verständnis der Teilchenphysik über den Haufen werfen."

Hoffnung auf unabhängige Bestätigung

Die Fermilab-Forscher sind sich relativ sicher, dass das Phänomen real ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich nur um ein statistisches Artefakt handelt, geben sie mit eins zu 1375 an. Das ist zwar zu wenig, um offiziell von einer Entdeckung zu sprechen - dafür wäre eine Fehlerwahrscheinlichkeit von etwa eins zu einer Million notwendig. Doch es ist absolut ausreichend, um Aufmerksamkeit zu erregen. Das 700-köpfige Forscherteam der "CDF Collaboration" hat seine Daten inzwischen online vorab veröffentlicht, die Studie soll zudem im Fachblatt "Physical Review Letters" erscheinen.

Für eine abschließende Bewertung müsse man auf eine Bestätigung aus anderer Quelle warten, sagte Mönig. Die dürfte es schon bald geben: Am Fermilab läuft ein zweites Experiment, von dem sich die Forscher noch in diesem Jahr genauere Erkenntnisse erhoffen. Auch am LHC des Cern werde man versuchen, die Entdeckung des Fermilab zu bestätigen, sagte Mönig. "Das beginnt heute, da kann man sicher sein."

Die Energie, mit der die Partikel kollidieren, ist im LHC dreieinhalb mal größer als im Tevatron. Deshalb sollte laut Mönig auch das rätselhafte Signal deutlicher zu sehen sein. Die LHC-Forscher müssten dafür kein neues Experiment starten, sondern in den bisher gewonnenen Daten suchen. Dass der merkwürdige Effekt dort bisher nicht entdeckt wurde, ist für Mönig nicht weiter überraschend: "Man muss bei der Analyse schon in eine bestimmte Richtung schauen, um zu diesem Ergebnis zu kommen." Zudem sei das Signal zumindest in den Fermilab-Daten relativ schwach ausgeprägt.

Ähnlich zurückhaltend äußerte sich Nima Arkani-Hamed vom Institute for Advanced Study in Princeton (US-Bundesstaat New Jersey). Er hält es für gut möglich, dass das Signal in den Fermilab-Daten kaum mehr als ein statistischer Schluckauf sei. Sollte es anders sein, werde man mit dem LHC "in kurzer Zeit dramatische Beweise finden".

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insgesamt 1244 Beiträge
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1. Zitat : "Niemand weiß, was es ist",
sagmalwasdazu 07.04.2011
Zitat von sysopIn der Physik bahnt sich eine Sensation an: Forscher haben möglicherweise eine*bisher unbekannte Grundkraft der Natur entdeckt. Sollten sich die Daten aus einem US-Teilchenbeschleuniger bestätigen, wäre es wohl die wichtigste physikalische Entdeckung der vergangenen 50 Jahre. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,755597,00.html
Man kann nur hoffen : Kein Schwarzes , nicht wieder verschließbares Loch ! Wieder so ein sensibels Experiment !
2. Zufall?
MasaGemurmel 07.04.2011
Rühren wir doch mal im Topf der Gerüchteküche. Interessant, daß diese "Naturenergie" wenige Wochen nach den apokalyptischen Ereignissen in Japan aufkommt. Zu einer Zeit, in der die Akzeptanz für Kernenergie weltweit schwindet und klar wird, daß auch Öl bald ausgetrunken sein wird. Mögliches Szenario: Man kannte diese Kraft schon lange, hat es aber verschwiegen, um aus den bestehenden Energiequelle weiter Profit ziehen zu können. Nun ist der Druck so groß, daß man "mit der Neuen" rausrücken muß. Ja, Verschwörungstheorie - und? worth discussion.
3. Kernkraft - Nein, danke!
Sponator 07.04.2011
Man sollte alle Experimente, die mit Kernkraft (egal ob schwach oder stark) zu tun haben, verbieten. Ich hoffe, dass bei einem Wahlsieg der Grünen solche Anlagen sofort vom Netz genommen werden!
4. schön
fast_weise 07.04.2011
Zitat von sysopIn der Physik bahnt sich eine Sensation an: Forscher haben möglicherweise eine*bisher unbekannte Grundkraft der Natur entdeckt. Sollten sich die Daten aus einem US-Teilchenbeschleuniger bestätigen, wäre es wohl die wichtigste physikalische Entdeckung der vergangenen 50 Jahre. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,755597,00.html
wäre ja schön, wenn das stimmte, allein in der aktuellen Energie-Diskussion und nach Fukushima erscheint mir der Zeitpunkt doch etwas ideal.
5. Von wegen neue Entdeckung!
515277 07.04.2011
Zitat von sysop...die wichtigste physikalische Entdeckung der vergangenen 50 Jahre. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,755597,00.html
Ich bin bereits im Jahr 1992 bei einem Photonenexperiment auf diese angeblich neue Kraft gestoßen und niemand wollte mir glauben. Jetzt kommen da so ein paar Möchtegern-Wissenschaftler daher und behaupten, sie hätten es entdeckt. Das ist doch einfach nur noch lächerlich!
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LHC-Start: Existiert das Higgs-Boson?

Die Grundkräfte der Natur
Fundamentale Wechselwirkungen
Sie sind buchstäblich das, was die Welt im Innersten zusammenhält: die Grundkräfte der Natur. Sie sind die Basis aller physikalischen Vorgänge, ohne sie wäre unser Universum nicht denkbar. Die Wissenschaft kennt vier dieser Kräfte, die auch fundamentale Wechselwirkungen genannt werden. Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler auch nach einer fünften - bisher allerdings ergebnislos.
Die Gravitation
Isaac Newton hat im 17. Jahrhundert die Schwerkraft erstmals mathematisch beschrieben. Sie besitzt eine unendliche Reichweite, lässt sich - anders als andere Grundkräfte - nicht abschirmen und wirkt vor allem auf große Distanzen. Planeten, Sterne und ganze Galaxien werden maßgeblich von ihr gesteuert. Dennoch ist sie die schwächste aller Fundamentalkräfte. Ein Mensch etwa - obwohl im Vergleich zur Erde winzig klein - kann die Schwerkraft zumindest kurzzeitig spielend mit seiner Körperkraft überwinden.
Die elektromagnetische Kraft
Sie ist neben der Gravitation die zweite Kraft, der schon früh der Rang eines allgemeinen Naturgesetzes gegeben wurde. Auf ihr basieren die meisten Alltagsphänomene: Wenn eine Glühbirne dank Strom Licht erzeugt, wenn Magneten sich anziehen, wenn Substanzen chemisch miteinander reagieren ist die elektromagnetische Wechselwirkung die Basis des Geschehens. Die Teilchen, durch die sie vermittelt wird, sind die Photonen.
Die starke Kernkraft
Die Kernkräfte wurden erst im 20. Jahrhundert mit der Entdeckung von Atomkernen und Radioaktivität beschrieben. Nach dem Standardmodell der Elementarphysik besteht ein Atomkern aus Neutronen und Protonen, die sich wiederum aus Quarks zusammensetzen. Die starke Kernkraft, auch starke Wechselwirkung genannt, hält diese Quarks zusammen - und damit auch die Atomkerne. Sie wird durch Gluonen vermittelt.
Die schwache Kernkraft
Die schwache Wechselwirkung ist die Grundlage einiger radioaktiver Zerfallsprozesse und spielt auch eine Rolle bei der Kernfusion, die etwa im Innern von Sternen abläuft. Sie besitzt wie auch die starke Kernkraft nur eine kurze Reichweite.

Die schwache Kernkraft sagt auch die Existenz des sogenannten Higgs-Bosons voraus, das der Theorie zufolge allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Der Partikel, auch "Gottesteilchen" genannt, wurde bisher aber noch nicht direkt beobachtet. Weltweit fahnden Forscher intensiv nach dem Teilchen. Mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf könnte es schon bald nachgewiesen werden.
Die fünfte Kraft
Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler nach einer fünften Kraft. Sie soll ähnlich schwach sein wie die Gravitation und auf Objekte aller Art wirken. Doch experimentell ließ sich die fünfte Fundamentalkraft - trotz einiger Versuche insbesondere in den späten achtziger Jahren - nicht schlüssig belegen.
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