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Teilchenphysik: Erfolgreiche Suche nach drei aus einer Milliarde

Forschungszentrum Cern: Standardmodell einer harten Prüfung unterzogen Zur Großansicht
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Forschungszentrum Cern: Standardmodell einer harten Prüfung unterzogen

6 aus 49 wie beim Lotto sind schwierig? Versuchen Sie es mal mit 3 aus 1.000.000.000! Physiker vom Kernforschungszentrum Cern haben eine besonders seltene Zerfallsreaktion studiert. Ihre Ergebnisse verraten etwas über das Standardmodell der Teilchenphysik.

Wirklich zufrieden sind Physiker mit ihren Modellen nie - weswegen sie sie ständig auf die Probe stellen. Das Standardmodell der Teilchenpyhsik muss sich beispielsweise permanent behaupten, wenn an Teilchenbeschleunigern Daten gesammelt werden. Und so mancher hofft, dass es hier und da versagt. Das wäre schließlich ein Hinweis auf eine Physik jenseits des Standardmodells.

Auf einer Fachkonferenz im schwedischen Stockholm legten Physiker des Kernforschungszentrums Cern nun Daten vor, die das Standardmodell bekräftigen. Am LHC beobachteten sie einen der seltensten bekannten Zerfallsprozesse: den eines Bs-Mesons in zwei Muonen.

Von einer Milliarde Bs-Mesonen würden laut Vorhersage des Standardmodells etwa drei so zerfallen, dass zwei Muonen entstehen, teilte die Forschergruppe des CMS-Experiments am Cern mit.

Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark und sind deshalb instabil. In gewöhnlicher Materie auf der Erde sind sie nicht zu finden. Aber sie können an Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.

Myonen kann man sich nach Angaben der Physiker als die etwas gewichtigeren Cousins des Elektrons vorstellen. Sie haben ebenso wie die Forscher vom LHCb-Experiment die seltenen Zerfallsprozesse untersucht.

Aber was ist mit Antimaterie? Und Dunkler Energie?

Beide Gruppen kommen zum selben Schluss: Die Daten stimmen sehr gut mit der Vorhersage des Standardmodells überein. Es zerfallen etwa drei von einer Milliarde Bs-Mesonen in zwei Myonen. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses passende Ergebnis rein zufällig entstanden ist und gar nicht stimmt, liegt laut CMS-Experiment bei rund 1 zu 100.000.

Dennoch ist das Standardmodell nicht der Weisheit letzter Schluss für Physiker. Es beschreibt zwar bisherigen Beobachtungen zufolge das Verhalten von Elementarteilchen sehr genau. Doch eine der Grundkräfte der Natur, die Gravitation, wird von dem Modell nicht erfasst. Ebenso lassen sich mit ihm keine Vorhersagen über die Dunkle Materie oder Dunkle Energie treffen. Es beschreibt lediglich die gewöhnliche Materie (und Antimaterie).

Doch damit sind nach neuesten Analysen nur knapp fünf Prozent des Kosmos überhaupt erfasst. Den großen Rest füllen Theorien zufolge zwei immer noch recht Unbekannte: Dunkle Materie (rund 26 Prozent) und Dunkle Energie (rund 69 Prozent). Auch erklärt das Standardmodell nicht, warum sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht gegenseitig ausgelöscht haben, sondern stattdessen die Materie die Überhand gewann.

Es wird also weiterhin kräftig am Standardmodell gerüttelt werden - in der Hoffnung auf noch bessere Modelle.

wbr

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Kleinste Teilchen, riesige Maschinen

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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