Ein Physiker erklärt, dass das Standardmodell der Teilchenphysik gebrochen sein könnte

Als Physiker, der am Large Hadron Collider LHC am Cern arbeitet, lautet eine der häufigsten Fragen, die mir gestellt werden: „Wann werden Sie etwas finden?“ Ich widerstehe der Versuchung, sarkastisch zu antworten „Abgesehen vom Higgs-Boson,die den Nobelpreis gewonnen hat, und eine ganze Reihe neuer zusammengesetzter Teilchen?“ Mir ist klar, dass der Grund, warum diese Frage so oft gestellt wird, darin liegt, wie wir den Fortschritt in der Teilchenphysik der ganzen Welt dargestellt haben.

Wir sprechen oft von Fortschritt in Bezug auf die Entdeckung neuer Teilchen, und das ist es auch oft. Das Studium eines neuen, sehr schweren Teilchens hilft uns, zugrunde liegende physikalische Prozesse zu sehen – oft ohne störende Hintergrundgeräusche. Das macht es einfach, den Wert der Entdeckung zu erklärengegenüber der Öffentlichkeit und Politikern.

Kürzlich jedoch drohte eine Reihe von präzisen Messungen bereits bekannter, festgefahrener Teilchen und Prozesse die Physik zu erschüttern. Und der LHC wird betriebsbereit gemacht bei höherer Energie und IntensitätEs ist an der Zeit, die Auswirkungen umfassend zu diskutieren, denn je zuvor.

In Wahrheit ist die Teilchenphysik immer auf zwei Arten vorgegangen, von denen die eine neue Teilchen sind. Die andere besteht darin, sehr präzise Messungen durchzuführen, die die Vorhersagen von Theorien testen und nach Abweichungen von dem suchen, was erwartet wird.

Die frühen Beweise für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie kamen zum Beispiel von der Entdeckung kleiner Abweichungen in den scheinbaren Positionen von Sternen und von der Bewegung des Merkur auf seiner Umlaufbahn.

Drei Schlüsselerkenntnisse

Partikel gehorchen einer kontraintuitiven, aber äußerst erfolgreichen Theorie namens Quantenmechanik. Diese Theorie zeigt, dass Partikel, die viel zu massiv sind, um direkt in einer Laborkollision hergestellt zu werden, immer noch beeinflussen können, was andere Partikel tun durch etwas, das „Quantenfluktuationen“ genannt wird. Messungensolcher Effekte sind jedoch sehr komplex und der Öffentlichkeit viel schwerer zu erklären.

Jüngste Ergebnisse, die auf unerklärliche neue Physik jenseits des Standardmodells hindeuten, sind jedoch von diesem zweiten Typ. Detailliert Studien aus dem LHCb-Experiment festgestellt, dass ein sogenanntes Beauty-Quark Quarks bilden die Protonen und Neutronen im Atomkern viel häufiger in ein Elektron „zerfällt“ zerfällt als in ein Myon – das schwerere, aber ansonsten identische,Geschwister. Nach dem Standardmodell sollte dies nicht passieren – was darauf hindeutet, dass neue Teilchen oder sogar Naturgewalten den Prozess beeinflussen können.

Interessanterweise zeigen jedoch Messungen ähnlicher Prozesse mit „Top-Quarks“ aus dem ATLAS-Experiment am LHC diesen Zerfall passiert mit gleichen Raten für Elektronen und Myonen.

Unterdessen hat kürzlich das Muon g-2-Experiment am Fermilab in den USA stattgefunden sehr genaue Studien davon, wie Myonen „wackeln“, wenn ihr „Spin“ eine Quanteneigenschaft mit umgebenden Magnetfeldern interagiert. Es wurde eine kleine, aber signifikante Abweichung von einigen theoretischen Vorhersagen festgestellt – was wiederum darauf hindeutet, dass unbekannte Kräfte oder Teilchen am Werk sein könnten.

Die neuestes überraschendes Ergebnis ist ein Maß für die Masse eines Elementarteilchens namens W-Boson, das die schwache Kernkraft trägt, die den radioaktiven Zerfall steuert. Nach vielen Jahren der Datenerfassung und -analyse deutet das Experiment, ebenfalls am Fermilab, darauf hin, dass es erheblich schwerer ist als die Theorie vorhersagt – und um einen Betrag abweicht, der nicht zufällig passieren würdemehr als eine Million Experimente. Auch hier kann es sein, dass noch unentdeckte Teilchen zu seiner Masse beitragen.

Interessanterweise widerspricht dies jedoch auch einigen weniger präzisen Messungen des LHC dargestellt in diese Studie und dieser.

Das Urteil

Obwohl wir nicht absolut sicher sind, dass diese Effekte einer neuartigen Erklärung bedürfen, scheinen die Beweise zuzunehmen, dass eine neue Physik erforderlich ist.

Natürlich werden fast so viele neue Mechanismen vorgeschlagen, um diese Beobachtungen zu erklären, wie es Theoretiker gibt. Viele werden sich mit verschiedenen Formen von „ befassen.Supersymmetrie.“ Dies ist die Idee, dass es im Standardmodell doppelt so viele Elementarteilchen gibt, wie wir dachten, wobei jedes Teilchen einen „Superpartner“ hat. Diese können zusätzliche Higgs-Bosonen beinhalten verbunden mit dem Feld, das den Elementarteilchen ihre Masse verleiht.

Andere gehen darüber hinaus und berufen sich auf weniger modische Ideen wie „ Technikfarbe“, was implizieren würde, dass es zusätzliche Naturkräfte gibt zusätzlich zur Schwerkraft, zum Elektromagnetismus und zu den schwachen und starken Kernkräften und bedeuten könnte, dass das Higgs-Boson tatsächlich ein zusammengesetztes Objekt aus anderen Teilchen ist. NurExperimente werden die Wahrheit ans Licht bringen - was für Experimentatoren eine gute Nachricht ist.

Die Versuchsteams, die hinter den neuen Erkenntnissen stehen, sind alle hoch angesehen und haben lange an den Problemen gearbeitet. Allerdings ist es ihnen gegenüber nicht respektlos festzustellen, dass diese Messungen äußerst schwierig durchzuführen sind. Außerdem sind Vorhersagen über dieStandardmodelle erfordern normalerweise Berechnungen, bei denen Näherungen gemacht werden müssen. Das bedeutet, dass verschiedene Theoretiker leicht unterschiedliche Massen und Zerfallsraten vorhersagen können, abhängig von den getroffenen Annahmen und dem Grad der Näherung. Daher kann es sein, dass, wenn wir genauere Berechnungen durchführen, einige vondie neuen Erkenntnisse passen zum Standardmodell.

Ebenso kann es sein, dass die Forscher subtil unterschiedliche Interpretationen verwenden und so inkonsistente Ergebnisse finden. Der Vergleich zweier experimenteller Ergebnisse erfordert eine sorgfältige Überprüfung, ob in beiden Fällen dieselbe Annäherungsebene verwendet wurde.

Dies sind beide Beispiele für Quellen „systematischer Unsicherheit“, und obwohl alle Beteiligten ihr Bestes tun, um sie zu quantifizieren, kann es zu unvorhergesehenen Komplikationen kommen, die sie unter- oder überschätzen.

Nichts davon macht die aktuellen Ergebnisse weniger interessant oder wichtig. Was die Ergebnisse zeigen, ist, dass es mehrere Wege zu einem tieferen Verständnis der neuen Physik gibt, und sie alle müssen erforscht werden.

Mit dem Neustart des LHC gibt es immer noch Aussichten auf neue Partikel, die durch seltenere Prozesse hergestellt oder versteckt unter Hintergründen gefunden werden, die wir noch ausgraben müssen.

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