LHC-Wissenschaftler entdecken Mysterienpartikel, die so seltsam sind, dass sie das Standardmodell gefährden könnten.

Es gab eine Menge Aufregung, als das Higgs-Boson erstmals 2012 entdeckt wurde – eine Entdeckung, die 2013 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Das Teilchen vervollständigte das so genannte Standardmodell, unsere derzeit beste Theorie des Naturverständnisses auf der Ebene der Teilchen.

Jetzt denken Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) am CERN, dass sie ein anderes Partikel gesehen haben könnten, das als Peak bei einer bestimmten Energie in den Daten erkannt wurde, obwohl der Befund noch nicht bestätigt wurde. Auch hier gibt es wieder viel Aufregung unter den Teilchenphysikern, aber diesmal ist es mit einem Gefühl der Angst vermischt. Im Gegensatz zum Higgs-Teilchen, das unser Verständnis der physikalischen Realität bestätigte, scheint dieses neue Teilchen es zu bedrohen.

Das neue Ergebnis – bestehend aus einem mysteriösen Stoß in den Daten bei 28 GeV (einer Energieeinheit) – wurde als Preprint auf ArXiv veröffentlicht. Es ist noch nicht in einem peer-reviewed Journal – aber das ist kein großes Problem. Die LHC-Kooperationen verfügen über sehr strenge interne Überprüfungsverfahren, und wir können sicher sein, dass die Autoren die Summen korrekt berechnet haben, wenn sie eine „4.2 Standardabweichung“ melden.

Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, einen so großen Gipfel durch Zufall zu erreichen – verursacht durch zufälliges Rauschen in den Daten und nicht durch ein echtes Partikel – nur 0,0013 Prozent beträgt. Das sind winzige 13 von einer Million. So scheint es, als müsste es sich um ein echtes Ereignis handeln, nicht um ein zufälliges Geräusch – aber noch öffnet niemand den Champagner.

Viele LHC-Experimente, die Protonenstrahlen (Partikel im Atomkern) zusammenschlagen, finden Hinweise auf neue und exotische Partikel, indem sie nach einem ungewöhnlichen Aufbau bekannter Partikel wie Photonen (Lichtteilchen) oder Elektronen suchen. Denn schwere und „unsichtbare“ Partikel wie die Higgs sind oft instabil und neigen dazu, auseinanderzufallen (zu zerfallen) in leichtere Partikel, die leichter zu erkennen sind. Wir können daher in experimentellen Daten nach diesen Partikeln suchen, um herauszufinden, ob sie das Ergebnis eines schwereren Partikelzerfalls sind. Der LHC hat mit solchen Techniken viele neue Partikel gefunden, die alle in das Standardmodell passen.

Der neue Befund stammt aus einem Experiment mit dem CMS-Detektor, der eine Reihe von Myonenpaaren aufzeichnete – bekannte und leicht identifizierbare Partikel, die ähnlich wie Elektronen, aber schwerer sind. Es analysierte ihre Energien und Richtungen und fragte: Wenn dieses Paar aus dem Zerfall eines einzelnen Elternteilchens stammt, wie würde die Masse dieses Elternteils aussehen?

In den meisten Fällen kommen Myonenpaare aus verschiedenen Quellenùursprünglich aus zwei verschiedenen Ereignissen und nicht aus dem Zerfall eines Teilchens. Wenn Sie versuchen, eine übergeordnete Masse in solchen Fällen zu berechnen, würde sie sich daher über einen weiten Energiebereich verteilen, anstatt einen schmalen Peak speziell bei 28GeV (oder einer anderen Energie) in den Daten zu erzeugen. Aber in diesem Fall sieht es so aus, als gäbe es einen Gipfel. Vielleicht. Du kannst dir die Figur ansehen und selbst beurteilen.

Ist dies ein echter Höhepunkt oder ist es nur eine statistische Schwankung aufgrund der zufälligen Streuung der Punkte um den Hintergrund (die gestrichelte Kurve)? Wenn es real ist, bedeutet das, dass einige dieser Myonenpaare tatsächlich nur von einem großen Elternteilchen stammen, das durch die Aussendung von Myonen zerfällt – und kein solches 28-GeV-Partikel wurde jemals zuvor gesehen.

Es sieht also alles ziemlich faszinierend aus, aber die Geschichte hat uns Vorsicht gelehrt. Auswirkungen dieser Bedeutung sind in der Vergangenheit aufgetreten, nur um dann zu verschwinden, wenn mehr Daten aufgenommen werden. Die Digamma(750)-Anomalie ist ein aktuelles Beispiel aus einer langen Reihe von Fehlalarmen – falsche „Entdeckungen“ aufgrund von Gerätefehlern, übereifriger Analyse oder einfach nur Pech.

Dies ist zum Teil auf etwas zurückzuführen, das als „look elsewhere effect“ bezeichnet wird: Obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass zufälliges Rauschen einen Peak erzeugt, wenn man speziell auf einen Wert von 28 GeV schaut, 13 in einer Million sein kann, könnte dieses Rauschen einen Peak irgendwo anders im Plot geben, vielleicht bei 29GeV oder 16GeV. Die Wahrscheinlichkeiten, dass diese zufällig sind, sind ebenfalls winzig, wenn man sie betrachtet, aber die Summe dieser winzigen Wahrscheinlichkeiten ist nicht so winzig (wenn auch noch ziemlich klein). Das bedeutet, dass es nicht unmöglich ist, durch Zufallsrauschen einen Peak zu erzeugen.

Und es gibt einige rätselhafte Aspekte. Zum Beispiel erschien der Stoß in einem LHC-Lauf, aber nicht in einem anderen, wenn die Energie verdoppelt wurde. Man würde erwarten, dass alle neuen Phänomene größer werden, wenn die Energie höher ist. Es mag sein, dass es Gründe dafür gibt, aber im Moment ist es eine unbequeme Tatsache.

Die Theorie ist noch unvereinbarer. So wie experimentelle Teilchenphysiker ihre Zeit damit verbringen, nach neuen Teilchen zu suchen, verbringen Theoretiker ihre Zeit damit, über neue Teilchen nachzudenken, nach denen es sinnvoll wäre zu suchen: Teilchen, die die fehlenden Teile des Standardmodells ausfüllen oder die Dunkle Materie (eine Art unsichtbare Materie) erklären würden, oder beides. Aber niemand hat so etwas vorgeschlagen.

Zum Beispiel schlagen Theoretiker vor, dass wir eine leichtere Version des Higgs-Teils finden könnten. Aber etwas derartiges würde nicht zu Myonen zerfallen. Es wurde auch von einem leichten Z-Boson oder einem schweren Photon gesprochen, aber sie würden mit Elektronen interagieren. Das bedeutet, dass wir sie wahrscheinlich schon entdeckt haben sollten, da Elektronen leicht zu erkennen sind. Das potenzielle neue Teilchen stimmt nicht mit den Eigenschaften eines der vorgeschlagenen überein.

Wenn dieses Teilchen wirklich existiert, dann ist es nicht nur außerhalb des Standardmodells, sondern auch außerhalb in einer Weise, die niemand erwartet hat. So wie die newtonsche Schwerkraft der allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins Platz gemacht hat, wird das Standardmodell abgelöst. Aber der Ersatz wird keiner der bevorzugten Kandidaten sein, der bereits vorgeschlagen wurde, um das Standardmodell zu erweitern: einschließlich Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen und Theorien der großen Einheit. Diese schlagen alle neue Partikel vor, aber keine mit Eigenschaften wie die, die wir gerade gesehen haben. Es muss etwas so Seltsames sein, dass es noch niemand vorgeschlagen hat.

Glücklicherweise hat das andere große LHC-Experiment, ATLAS, ähnliche Daten aus ihren Experimenten. Das Team analysiert es noch und wird zu gegebener Zeit darüber berichten. Zynische Erfahrung sagt, dass sie ein Nullsignal melden werden, und dieses Ergebnis wird sich der Galerie der statistischen Schwankungen anschließen. Aber vielleicht – vielleicht – nur vielleicht – werden sie etwas sehen. Und dann wird das Leben für Experimentatoren und Theoretiker plötzlich sehr geschäftig und sehr interessant.

Roger Barlow ist Forschungsprofessor und Direktor des International Institute for Accelerator Applications an der University of Huddersfield, Großbritannien.

Dieser Artikel wurde aus The Conversation unter einer Creative Commons Lizenz veröffentlicht. Den Originalartikel lesen.

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