Teilchenphysik: Neue Spur zu unbekannten Naturgesetzen

Physiker haben bei einem Teilchenbeschleuniger-Experiment einen Effekt beobachtet, der auf bisher unbekannte Naturgesetze hinweist. Noch sind die Ergebnisse nicht bestätigt - aber die Wahrscheinlichkeit eines statistischen Zufalls halten die Forscher für äußerst gering.

Teilchenbeschleuniger Tevatron: Neue Hinweise auf bisher unbekannte Naturgesetze Zur Großansicht
Fermilab / Fred Ullrich

Teilchenbeschleuniger Tevatron: Neue Hinweise auf bisher unbekannte Naturgesetze

Chicago - Der Tevatron-Teilchenbeschleuniger am berühmten Fermilab bei Chicago ist immer wieder für Überraschungen gut. Zuletzt hatten Forscher beim dortigen CDF-Experiment Hinweise auf eine neue Naturkraft gefunden. Die Kollegen der DZero Collaboration, die ebenfalls am Tevatron stationiert ist, konnten die Entdeckung allerdings nicht bestätigen. Jetzt gehen ausgerechnet die DZero-Wissenschaftler mit einer aufsehenerregenden Ankündigung an die Öffentlichkeit: Sie glauben, bei Partikelkollisionen im Tevatron Verteilung von Elementarteilchen beobachtet zu haben, die nicht mit gängigen Vorstellungen der Physik übereinstimmt.

Bei Kollisionen von Protonen und Antiprotonen waren etwa ein Prozent mehr Myonen - eine Art superschwerer Elektronen - entstanden als Antimyonen. Dieser Effekt sei etwa 50-mal größer als nach dem Standardmodell erwartet, schreiben die Forscher in ihrem Artikel, der im Fachmagazin "Physical Review D" erscheinen soll.

Die Anomalie beim DZero-Experiment war bereits im vergangenen Jahr beobachtet worden. Inzwischen sind sich die Forscher ihrer Sache aber deutlich sicherer: Sie haben rund 50 Prozent mehr Daten analysiert und damit die Unsicherheit des Ergebnisses verringert. Die Chance, dass es sich bei dem Effekt um einen statistischen Zufall handele, liegt nach ihren Angaben bei etwa 0,005 Prozent. Allerdings spricht man in der Wissenschaft erst bei 0,00003 Prozent und unabhängiger Bestätigung durch andere Experimente von einer echten Entdeckung - und genau diese Bestätigung steht noch aus. Deswegen sind die aktuellen Schlussfolgerungen des DZero-Teams noch mit Vorsicht zu genießen.

"Sollte die nun vorliegende Abweichung unabhängig bestätigt werden, wäre die Tür zu neuen Naturgesetzen aufgestoßen", sagt Ulrich Nierste vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er hat die theoretisch zu erwartenden Zerfallsraten für das Experiment ausgerechnet.

Die neuen Ergebnisse werfen möglicherweise auch ein Licht auf die Frage, warum im Universum nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie übrig geblieben ist - und damit die Entstehung aller Sterne, Galaxien und Planeten ermöglicht hat. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik existiert für jedes Elementarteilchen ein entsprechender Gegenpart aus Antimaterie. Diese Antiteilchen besitzen exakt die gleichen Eigenschaften, aber umgekehrte Vorzeichen, beispielsweise eine negative Ladung statt einer positiven - so will es die Regel der sogenannten CP-Symmetrie (C steht für Ladung, P für Parität).

Materie und Antimaterie seit dem Urknall ungleich verteilt

Treffen ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus. Dies geschah der Theorie zufolge auch im frühen Universum, unmittelbar nach dem Urknall. Warum damals aber nach dieser Auslöschung Materie übrig blieb, ist bis heute ungeklärt. Unter anderem deshalb suchen Wissenschaftler an Teilchenbeschleunigern weltweit nach Hinweisen darauf, wie die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie gebrochen worden sein könnte.

Am Tevatron hatten die Physiker im Rahmen des DZero-Experiments Protonen und Antiprotonen mit einer Energie von bis zu 1,96 Teraelektronen-Volt kollidieren lassen. Mit einem fünf Tonnen schweren und vier Etagen hohen Detektor hatten sie Art und Menge der durch die Kollision freigesetzten Elementarteilchen aufgezeichnet.

Dabei müssten eigentlich Teilchen und Antiteilchen in jeweils gleicher Menge produziert werden. Beim Zerfall eines äußerst kurzlebigen Zwischenprodukts, des sogenannten neutralen B-Mesons, zeigten sich nun jedoch Differenzen. Die Auswertungen ergaben, dass mehr Myonen als Antimyonen entstanden waren.

Dies könnte eine anormal große Abweichung von der im Standardmodell postulierten CP-Symmetrie darstellen, glauben die Forscher - falls sie die Beobachtungen richtig interpretiert haben. Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC), dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf, arbeiten nun daran, die Beobachtung des DZero-Teams zu überprüfen. Und am Fermilab hofft man, dass es mit dieser Entdeckung besser läuft als mit der vor einigen Wochen.

In der kommenden Woche treffen sich Teilchenphysiker aus aller Welt auf der Europhysics Conference on High Energy Physics (EPS-HEP) im französischen Grenoble. Die "Fermilab"-Ergebnisse dürften dort mit Hingabe diskutiert werden.

chs/dapd

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1. ...
Newspeak, 15.07.2011
"Die Chance, dass es sich bei dem Effekt um einen statistischen Zufall handele, liegt nach ihren Angaben bei etwa 0,005 Prozent. Allerdings spricht man in der Wissenschaft erst bei 0,00003 Prozent und unabhängiger Bestätigung durch andere Experimente von einer echten Entdeckung - und genau diese Bestätigung steht noch aus." Wie kommt man denn auf diese Nummer von 0,00003 Prozent? Unabhängige Bestätigung ist klar, das ist einer der Eckpfeiler der Naturwissenschaften. Die Physiker, die ich kenne, haben oft eine sehr viel höhere Fehlerquote von bis zu 5 oder 10% toleriert. Aber die betreiben auch selten ausgefeilte Statistik. Und dann noch die 3 am Ende. Das ist doch das Ergebnis einer Rechnung und keiner Abschätzung. Also woher stammt diese seltsame Zahl (ist das der Standard, den man in der Elementarteilchenphysik erreichen kann?)? Vielleicht hat jemand eine Idee? Zweite Frage an fachkompetente Leute: Ich meine mal gelesen zu haben (im Zusammenhang mit vereinheitlichten Theorien), daß man mathematisch begründen kann, warum es nicht mehr als vier Grundkräfte geben kann. Stimmt dann diese Herleitung nicht mehr? Die Konsequenzen einer zusätzlichen Kraft müssten sich doch schon längst in einfacheren Experimenten gezeigt haben, oder? Jedenfalls ist das Standardmodell ziemlich verwoben, wenn man da nur irgendwo eine Kleinigkeit verändert, dann läuft fast alles an anderer Stelle aus dem Ruder. Meistens läuft die Erklärung dann darauf hinaus, daß man sagt, daß dieses und jenes nicht so sein kann, weil es uns sonst gar nicht gäbe, um das entdecken zu können.
2. Deja Vu
riga_ernest 15.07.2011
Das hatten wir doch alles schon mal?
3. Ich bin immer skeptisch,
syramon 15.07.2011
Zitat von sysopPhysiker haben bei einem Teilchenbeschleuniger-Experiment einen Effekt beobachtet,*der auf bisher unbekannte Naturgesetze hinweist. Noch sind die Ergebnisse nicht bestätigt - aber die Wahrscheinlichkeit eines statistischen Zufalls halten die Forscher für äußerst gering. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,774694,00.html
wenn Naturgesetze nicht mathem. formuliert werden können. Meist ist da was faul. Also besser nochmal prüfen. Ahnung ist nicht schlecht, reicht aber nicht für wissenschaftl. Beweisführung.
4. titel fehlt
smartie2004 15.07.2011
Zitat von sysopPhysiker haben bei einem Teilchenbeschleuniger-Experiment einen Effekt beobachtet,*der auf bisher unbekannte Naturgesetze hinweist. Noch sind die Ergebnisse nicht bestätigt - aber die Wahrscheinlichkeit eines statistischen Zufalls halten die Forscher für äußerst gering. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,774694,00.html
Die vom Fermilab kommen ja aus dem Finden gar nicht mehr raus. Beeindruckend. Zumindest so lang bis diese "Funde" wieder vom Tisch sind.
5. Statistische Zufälle etc.
mr_supersonic 15.07.2011
Zitat von Newspeak"Die Chance, dass es sich bei dem Effekt um einen statistischen Zufall handele, liegt nach ihren Angaben bei etwa 0,005 Prozent. Allerdings spricht man in der Wissenschaft erst bei 0,00003 Prozent und unabhängiger Bestätigung durch andere Experimente von einer echten Entdeckung - und genau diese Bestätigung steht noch aus." Wie kommt man denn auf diese Nummer von 0,00003 Prozent? Unabhängige Bestätigung ist klar, das ist einer der Eckpfeiler der Naturwissenschaften. Die Physiker, die ich kenne, haben oft eine sehr viel höhere Fehlerquote von bis zu 5 oder 10% toleriert. Aber die betreiben auch selten ausgefeilte Statistik. Und dann noch die 3 am Ende. Das ist doch das Ergebnis einer Rechnung und keiner Abschätzung. Also woher stammt diese seltsame Zahl (ist das der Standard, den man in der Elementarteilchenphysik erreichen kann?)? Vielleicht hat jemand eine Idee? Zweite Frage an fachkompetente Leute: Ich meine mal gelesen zu haben (im Zusammenhang mit vereinheitlichten Theorien), daß man mathematisch begründen kann, warum es nicht mehr als vier Grundkräfte geben kann. Stimmt dann diese Herleitung nicht mehr? Die Konsequenzen einer zusätzlichen Kraft müssten sich doch schon längst in einfacheren Experimenten gezeigt haben, oder? Jedenfalls ist das Standardmodell ziemlich verwoben, wenn man da nur irgendwo eine Kleinigkeit verändert, dann läuft fast alles an anderer Stelle aus dem Ruder. Meistens läuft die Erklärung dann darauf hinaus, daß man sagt, daß dieses und jenes nicht so sein kann, weil es uns sonst gar nicht gäbe, um das entdecken zu können.
Was Sie meinen mit den 5 bis 10 % bezieht sich auf Fehler, z.B. bei Messgrößen. Statistische Zufälle beziehen sich auf die Beobachtung an sich, z.B. wenn man ein Versuch macht, liegt die Chance, dass dieses oder jenes ungewöhnliches passiert bei 1:1000000 oder so ähnlich. Z.B. ist die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Fallversuch das Objekt plötzlich hochfliegt sehr gering. Besser wäre man redet von statistischer Wahrscheinlichkeit. Die Wahrscheinlichkeit in diesem Versuch ist wohl 0,005 %, dass eben diese Beobachtung gemacht wird. Woher die 0,00003% kommen weiß ich aber auch nicht. Vielleicht weiß da jemand anderes mehr. Und das mit den mathematischen Modellen: es sind eben Modelle, und wenn man etwas neues entdeckt, muss man diese Modelle korrigieren und verbessern.
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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.

Fotostrecke
LHC-Start: Existiert das Higgs-Boson?