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Physik: Hinweise auf neue Naturkraft zerschlagen sich

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Enttäuschung unter Physikern: Der Verdacht auf ein bisher unbekanntes Elementarteilchen oder gar eine neue Grundkraft der Natur hat sich höchstwahrscheinlich zerschlagen. Ein zweites Forscherteam hat nachgerechnet - und konnte die spektakuläre These nicht bestätigen.

CDF-Detektor am Fermilab: Hinweise auf neue Grundkraft nicht bestätigt Zur Großansicht
Fermilab

CDF-Detektor am Fermilab: Hinweise auf neue Grundkraft nicht bestätigt

Hamburg - Für überbordende Euphorie bei der Vorstellung neuer Daten sind theoretische Physiker eigentlich nicht bekannt. Umso bemerkenswerter lasen sich die Kommentare, die Anfang April zuerst in der "New York Times" und dann in zahlreichen Medien weltweit zu lesen waren.

"So bedeutend, dass es uns beinahe ängstigt" könnte das sein, was man am renommierten Fermilab bei Chicago gefunden habe, sagte damals Giovanni Punzi, Sprecher der 700-köpfigen CDF Collaboration. Die Forschergruppe hatte bei einem Experiment mit dem Tevatron-Teilchenbeschleuniger einen seltsamen Effekt beobachtet, der auf ein bisher unbekanntes Elementarteilchen hindeuten könnte - oder gar auf eine neue, fünfte Grundkraft der Natur.

Auch am Experiment nicht direkt beteiligte Forscher reagierten begeistert auf die Nachricht: Man habe möglicherweise die "bedeutendste physikalische Entdeckung der vergangenen 50 Jahre" vor sich, sagte Fermilab-Forscher Christopher Hill. Ähnlich äußerte sich Klaus Mönig, Leiter einer Arbeitsgruppe des "Atlas"-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) in Genf. Sollten sich die Daten aus dem Fermilab bestätigen, wäre das "ungeheuer bedeutend", weil man es dann mit einem "völlig unerwarteten Effekt" zu tun habe.

Das Problem ist nur: Die Daten haben sich nicht bestätigt. Wissenschaftler der DZero Collaboration, die ebenfalls am Fermilab stationiert ist, haben in ihren eigenen Daten nach dem Effekt gesucht, den die CDF-Kollegen gefunden hatten. Das Ergebnis: In den Daten gibt es weder Hinweise auf ein neues Elementarteilchen noch auf eine unbekannte Grundkraft.

Rätselraten um mysteriöses Signal

Was war geschehen? Die CDF-Forscher hatten das seltsame Signal bei der Analyse einiger 10.000 Kollisionen zwischen Protonen und Antiprotonen gefunden, 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 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.

Um das langgesuchte Higgs-Boson konnte es sich allerdings nicht handeln, das war schnell klar. Das auch als "Gottesteilchen" bekannte Partikel verleiht der Theorie zufolge allen anderen Elementarteilchen ihre Masse. Doch 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. Deshalb hatten Physiker auf ein bisher unbekanntes Teilchen oder gar auf eine neue Grundkraft spekuliert.

Punzi und seine Kollegen gaben sich äußerst zuversichtlich: Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem Effekt nur um ein statistisches Artefakt handelte, gaben sie mit 1 zu 1375 an. Doch manchmal geschieht auch das Unwahrscheinliche: Die DZero-Forscher konnten den Effekt nicht bestätigen.

"Genau so funktioniert Wissenschaft"

"Unsere Daten für Kollisionen, bei denen ein W-Boson und zwei Jets entstehen, stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein", sagte DZero-Sprecher Dmitri Denisov. 200 Billionen Partikelkollisionen habe man durchsucht - aber den Teilchenüberschuss aus den CDF-Berechnungen habe man nicht gefunden.

Eine derartige Diskrepanz kommt nur äußerst selten vor, wie das Fermilab am Freitag mitteilte. In den vergangenen zehn Jahren hätten CDF und DZero mehr als 500 Messungen aus der Partikelphysik veröffentlicht, bei denen zwei unterschiedliche Teilchenbeschleuniger und unabhängige Analysemethoden zum Einsatz gekommen seien. Dennoch hätten die Ergebnisse in mehr als 99 Prozent der Fälle übereingestimmt.

Diesmal allerdings war das nicht der Fall. "Genau so funktioniert die Wissenschaft", sagte DZero-Mitarbeiter Stefan Söldner-Rembold. "Die unabhängige Bestätigung einer jeden neuen Beobachtung ist ihr Schlüsselprinzip." Jetzt würden die Wissenschaftler beider Gruppen die Unterschiede in den Daten aufarbeiten. Eine Taskforce werde die entsprechenden Studien koordinieren.

"Solide Analyse"

Thomas Müller, Leiter des Instituts für Experimentelle Kernphysik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), sprach trotz des negativen Ausgangs der Prüfung von einer "soliden Analyse" des CDF-Teams. "Der Überschuss an Teilchen war in den Daten", sagt Müller. "Aber vielleicht hätte man bei der Interpretation ein wenig vorsichtiger sein sollen."

Müller vermutet, dass die CDF-Physiker die Effekte unterschätzt haben, die mit dem Standardmodell - das in seiner heutigen Form seit Mitte der siebziger Jahre existiert - durchaus erklärbar sind. Bei der "irrsinnigen Zahl" an untersuchten Partikelkollisionen könne es zu Fluktuationen kommen, die mitunter falsch interpretiert werden könnten.

Zwar ist der letzte Beweis, dass der merkwürdige Effekt nur ein statistisches Artefakt ist, auch mit der DZero-Analyse noch nicht erbracht. Eine noch größere Sicherheit versprechen sich Physiker erst von Experimenten am LHC in Genf, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger. Die Energie, mit der die Partikel kollidieren, ist dort dreieinhalb mal größer als im Tevatron.

Doch Müller geht davon aus, dass eine Vorentscheidung gefallen ist: "Ich bin inzwischen ziemlich sicher, dass da nichts ist." Die Aufarbeitung der Diskrepanzen zwischen CDF- und DZero-Zahlen werde wohl keine neuen Erkenntnisse für die Physik bringen - "aber einen Lerneffekt für die Physiker".

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1.
Schah.Wenzel 10.06.2011
Zitat von sysopEnttäuschung unter Physikern: Der Verdacht auf ein bisher unbekanntes Elementarteilchen oder gar eine neue Grundkraft der Natur hat sich höchstwahrscheinlich zerschlagen. Ein zweites Forscherteam hat nachgerechnet - und konnte die spektakuläre These nicht bestätigen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,768019,00.html
Nun ja, in der Wissenschaft ist Falsifikation genau so wichtig wie Verifikation; würde also nicht von Enttäuschung sprechen. Wenngleich ich das wohl anders sähe, wäre ich einer der beteiligten Vorfreuer gewesen... =,-)
2. Das passiert mir
hupfhupf 10.06.2011
eigentlich nicht so oft bei SPON, aber von dem Artikel habe ich keinen Absatz verstanden. Hilfe... :)
3. ...
Albanodabango 10.06.2011
Die zweite Kollaboration heisst "D0", nicht "Dzero".
4. ooo
MarkH, 10.06.2011
Zitat von sysopEnttäuschung unter Physikern: Der Verdacht auf ein bisher unbekanntes Elementarteilchen oder gar eine neue Grundkraft der Natur hat sich höchstwahrscheinlich zerschlagen. Ein zweites Forscherteam hat nachgerechnet - und konnte die spektakuläre These nicht bestätigen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,768019,00.html
Moin .. wo wären wir heute ohne die Physik ? Bei einer autarken kommunalen Energieversorgung aus Flußkraftwerken ? Die Physik leistet hervorragende Dienste bei der Beobachtung existierender Phänomene ... Mit der Voraussage hapert es manchmal ein bischen
5. falsche Formulierung
MünchenerKommentar 10.06.2011
Die Kollegen vom D0-Experiment haben die Ergebnisse vom CDF-Experiment nicht "nachgerechnet" oder die "Rechenergebnisse der CDF-Kollegen analysiert", sondern in den D0-Daten, die völlig unabhängig von den CDF-Daten genommen wurden und schon bei D0 auf "Halde" (oder besser auf Festplatte) lagen, gesucht, ob sie den gleichen Effekt finden. Das sieht man unter anderem daran, dass die Plots von D0, auf die verlinkt wird, mit "D0" und deren integrierter Luminosität (im Prinzip die Zahl der Kollisionen, die in die Analyse eingeflossen ist) gestampt ist,also die Datenpunkte D0-Daten sind.
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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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