Experiment am Fermilab Alte Messdaten bringen die Teilchenphysik einem neuen Modell näher

In den Daten einer seit 2011 stillgelegten Versuchsanlage schlummerte eine Sensation: Forschende wollen in den Messungen Hinweise auf einen Fehler im sogenannten Standardmodell der Physik gefunden haben.
Die Daten leben weiter: Abbau des Collider Detectors am Teilchenbeschleuniger des Versuchszentrums Fermilab bei Chicago im Jahr 2013

Die Daten leben weiter: Abbau des Collider Detectors am Teilchenbeschleuniger des Versuchszentrums Fermilab bei Chicago im Jahr 2013

Foto: Reidar Hahn / Fermilab

Physiker der Welt sind in Aufruhr: Das große Standardmodell, mit dem sie die Funktion des Universums beschreiben, offenbart womöglich größere Fehler. Ein wichtiges Teilchen namens W-Boson ist laut einer neuen Auswertung von Messdaten eines alten Experiments schwerer als bisher gemessen – und zwar oberhalb der Fehlermarge des ansonsten fast durchgehend exakt zuverlässigen Standardmodells. Die Analyse  wurde am Donnerstag von einem 398-köpfigen Team in der Zeitschrift »Science« veröffentlicht.

»Es ist nicht einfach irgendetwas falsch«, erklärte der Teilchenphysiker Dave Toback von der Texas A&M University und Sprecher für die staatliche US-Versuchsanlage Fermi National Accelerator Lab (kurz Fermilab) nahe Chicago, wo die Experimente stattfanden. Der dortige Teilchenbeschleuniger Tevatron wurde bereits 2011 stillgelegt und vom leistungsfähigeren Teilchenbeschleuniger LHC am Europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf abgelöst. Doch die Auswertung der Daten dauerte bis heute an. Wenn die neuen Ergebnisse in anderen Experimenten bestätigt würden, »dann bedeutet es wörtlich, dass etwas Grundlegendes in unserem Verständnis der Natur falsch ist«, sagte Toback.

Genau nach solchen Erklärungslücken hatten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gesucht. Denn seit Langem ist klar, dass das Standardmodell nicht das letzte Wort sein kann. Es erklärte zwar bislang fast perfekt alles Messbare, was im Universum geschieht. Für die nicht messbare Dunkle Materie, die den Großteil des Universums ausmacht, liefert es aber keine Erklärung. Außerdem müssten sich Materie und Antimaterie nach dem Modell symmetrisch gegenüberstehen, während in der Realität die Materie überwiegt. Bei völliger Symmetrie hätte das Universum erst gar nicht entstehen können, weil die Antimaterie die Materie aufgelöst hätte. Auch die Schwerkraft wirft Fragen gegenüber dem Modell auf.

W-Boson trägt die schwache Kernkraft

Das letzte fehlende Teil des Modells wurde erst 2012 ergänzt, als Experimente am Cern-Beschleuniger LHC zur Entdeckung des Higgs-Bosons führten. Ironischerweise könnte die vom LHC abgelöste Anlage nun dazu beitragen, das mit diesen Erkenntnissen gestärkte Modell zu überholen.

Im Tevatron ließen die Forscherinnen und Forscher mehr als zehn Jahre lang Teilchen aufeinander krachen und maßen dann das Gewicht von vier Millionen W-Bosonen. Diese Teilchen, die kleiner sind als Atome, sind für die sogenannte schwache Kernkraft verantwortlich – eine der fundamentalen Kräfte der Physik – und existieren nur für den Bruchteil einer Sekunde, bevor sie in andere Teilchen zerfallen. »Im Quantenschaum des Universums tauchen sie ständig plötzlich auf und verschwinden wieder«, sagte Toback.

Der Studie zufolge war die Differenz zu den Vorhersagen des Standardmodells zu groß, um als Rundungsfehler oder mit anderen Erklärungen abgetan werden zu können. Das Ergebnis sei so außergewöhnlich, dass es durch ein anderes Experiment bestätigt werden müsse. Statt 80,357 Milliarden Elektronenvolt mit einer Fehlermarge von plus oder minus 0,006 kam das Fermi-Team laut dem beteiligten italienischen Nuklearphysiker Giorgio Chiarelli auf 80,433 Milliarden Elektronenvolt pro W-Boson, plus oder minus 0,009.

Wie ein versteckter Raum im eigenen Haus

Es sei, wie einen versteckten Raum im eigenen Haus zu finden, erklärte der Physiker Ashutosh V. Kotwal von der Duke University, der das Analyseprojekt leitete. Dasselbe Experiment hatte bereits 2012 leicht erhöhte Werte für das W-Boson ergeben, dafür wurde aber nur ein Teil der Daten ausgewertet. Die Analyse eines weiteren Experiments am Cern 2014 hingegen lieferte zum Standardmodell passende Werte.

Die Forschenden spekulierten, dass ein unentdecktes Teilchen mit dem W-Boson interagieren und die Abweichung erklären könnte. Möglicherweise spiele die Dunkle Materie eine Rolle. Oder es seien noch nicht bekannte physikalische Kräfte am Werk.

Die nicht an dem Fermi-Team beteiligte theoretische Physikerin Doreen Wackeroth von der University at Buffalo erklärte gegenüber »Science« , sie sei »sehr begeistert über das Ergebnis«. Auch der Teilchenphysiker Claudio Campagnari von der University of California Santa Barbara lobte die »unglaublich feine Messung«. Er nehme das Ergebnis sehr ernst. Nötig sei aber eine Bestätigung durch ein weiteres Experiment. Ein Team am LHC hofft, solche Ergebnisse bereits im kommenden Jahr vorlegen zu können.

Skeptischer zeigte sich der Experimentalphysiker Martin Grünewald vom University College Dublin. »All diese Messungen geben vor, dieselbe Quantität zu messen«, sagte er. »Irgendjemand muss, ich will nicht sagen falsch liegen, aber vielleicht einen Fehler gemacht oder die Fehlerauswertung zu aggressiv betrieben haben.«

Vor einem Jahr fand ein anderes Team am Fermilab bereits ein weiteres Problem im Standardmodell: Myonen genannte Teilchen waren ein wenig magnetischer  als vorhergesagt. Solche Ergebnisse liefern zwar kein neues Modell, um das Universum zu erklären – aber wenigstens Hinweise, in welche Richtung die Erklärung gehen sollte.

Anmerkung der Redaktion: In einer früheren Version des Artikels wurde die Fehlermarge nach Standardmodell mit plus oder minus 6 Milliarden Elektrovolt, nach der neuen Messung plus oder minus 9 angegeben. Diese Zahlen beziehen sich aber auf Millionen Elektrovolt.

ak/AP
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