Wenn Sie genau hinhören, können Sie vielleicht das Geräusch von Physikern hören, die sich am Kopf kratzen, nachdem sie die neuesten Nachrichten aus dem Fermilab in Chicago gehört haben.
Dort haben Forscher einen neuen Rekord aufgestellt, indem sie die Größe eines fundamentalen Teilchens – des W-Bosons – weitaus genauer als je zuvor gemessen haben.
Wenn ein W-Boson die Größe eines 800-Pfund-Gorillas hätte, wäre die neue Messung auf „ein paar Unzen genau“, Projektleiter Ashutosh V. Kotwal erzählt IE. Aber die Genauigkeit der Messung ist nicht die große Überraschung. Der Befund selbst ist das, was theoretische Physiker mit Sicherheit an ihre Tafeln schicken wird.
Kotwal sagt, das Ergebnis stehe „in erheblicher Spannung“ mit dem Standardmodell der Teilchenphysik. Das bedeutet die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie aller Zeiten könnte falsch sein.
Natürlich benötigt die Wissenschaft eine Bestätigung. „Während dies ein faszinierendes Ergebnis ist, muss die Messung durch ein anderes Experiment bestätigt werden, bevor sie vollständig interpretiert werden kann.“ sagt Joe Lykken, stellvertretender Direktor von Fermilab.
Das W-Boson ist der Schlüssel zum Universum, wie wir es kennen
Fast alle Physiker sind davon überzeugt, dass alle Materie aus einer Kombination von besteht17 subatomare Teilchen. Das W-Boson ist eines der vier subatomaren Teilchen, die zusammen drei der vier Grundkräfte tragen die vierte ist die Gravitation, die durch das Standardmodell nicht erklärt wird. Diese Kräfte sind dafür verantwortlich, wie der Rest des Subatoms gesteuert wirdTeilchen interagieren miteinander.
Das W-Boson ist teilweise verantwortlich für eine Kraft namens schwache Wechselwirkung, die Protonen in Neutronen umwandelt. Die schwache Wechselwirkung lässt die Sonne scheinen, indem sie Wasserstoffatome zu Helium verschmilzt. Im Laufe der kosmischen Geschichte hat derselbe grundlegende Prozess all die erzeugtschwerere Atome im Universum, einschließlich Kohlenstoff und Sauerstoff, aus denen Menschen bestehen.
„Nichts am Universum, das wir um uns herum sehen – all der Reichtum, all die Komplexität – hätte ohne die schwache Kernkraft passieren können“, sagt Kotwal. „Eines der entscheidenden, grundlegenden Dinge, die für so vieles um uns herum verantwortlich sind... erklärt sich durch den Austausch des W-Bosons.“
Was bedeutet der Befund für das Standardmodell?
Vor etwas mehr als hundert Jahren begannen Physiker zu erkennen, dass sich Materie auf unendlich kleinen Skalen ganz anders verhält. Seit diesen ersten Entdeckungen wie das Doppelspaltexperiment haben Physiker Theorien aufgestellt und getestet, um zu erklären, was Materie auf ihrer grundlegendsten Ebene ist.
„Irgendwann entwickelte sich der Name Standardmodell. Es wurde zu einem Eigennamen“, sagt Kotwal. Die Gleichung sagte subatomare Teilchen voraus – insbesondere das Higgs-Boson und das Top-Quark – lange bevor Experimentatoren sie direkt beobachten konnten.
Aber das Standardmodell ist keine perfekte Theorie für alles. Es erklärt weder Schwerkraft noch dunkle Materie. Seine Schlussfolgerungen über Antimaterie stimmen nicht mit den Daten überein, und „es gibt bestimmte Aspekte des Higgs, die es sindnicht erklärt“, sagt Kotwal.
Diese neue Erkenntnis über die Größe des W-Bosons gesellt sich zu diesen Anomalien und einer Handvoll anderer, die nicht durch das Standardmodell erklärt werden, zumindest in seiner aktuellen Form.
In einem Kurzaufsatz Zusammen mit diesen Ergebnissen veröffentlicht, schreiben die Physiker Claudio Campagnari und Martijn Mulders, dass „[mit] immer präziseren Messungen physikalischer Größen … Risse zwischen den Vorhersagen des [Standardmodells] und der Realität zutage treten könnten“.
„Wenn sie nicht mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen, können solche Messungen einen ersten Einblick in die Physik jenseits des [Standardmodells] geben“, sagen sie.
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Wie sieht diese Zukunft aus? Kotwal sagt, es liegt an den theoretischen Physikern, die Ergebnisse zu verstehen. Einige werden nach kreativen Wegen suchen, um diese Ergebnisse in das derzeit bestehende Standardmodell einzufügen, während andere nach Möglichkeiten suchen, das zu erweiternGleichung, damit sie die neuen Erkenntnisse berücksichtigen kann.
„Wir nehmen die Messungen vor, wir führen die Faktenfindung durch“, sagt er. „Unsere Gemeinschaft wird sich das genau ansehen und diese Berechnung im Vergleich zu der anderen Berechnung prüfen [und] sehen, welche besser funktioniert. Das ist eine derDinge, die uns antreiben.“