- Von Pallab Ghosh
- Wissenschaftskorrespondent
Bildquelle, VICTOR de SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Grafik: Geisterpartikel können derzeit nicht erkannt werden
Einige Physiker vermuten seit langem, dass mysteriöse „Geister“-Teilchen in der Welt um uns herum unser Verständnis der wahren Natur des Universums erheblich verbessern könnten.
Jetzt glauben Wissenschaftler, einen Weg gefunden zu haben, zu beweisen, ob sie existieren oder nicht.
Europas Zentrum für Teilchenforschung, Cern, hat ein Experiment genehmigt, um Beweise dafür zu finden.
Das neue Instrument wird tausendmal empfindlicher auf solche Partikel reagieren als frühere Geräte.
Es wird Partikel auf eine harte Oberfläche schlagen, um sie zu erkennen, statt gegeneinander wie Cerns Hauptgerät, der Large Hadron Collider (LHC).
Was sind also diese geisterhaften Teilchen und warum war ein neuer Ansatz erforderlich, um sie zu entdecken?
Die aktuelle Theorie der Teilchenphysik wird als Standardmodell bezeichnet.
Es besagt, dass alles im Universum aus einer Familie von 17 Teilchen besteht – bekannten wie dem Elektron und dem Higgs-Boson – sowie dem weniger bekannten, aber wunderbar benannten Charm-Quark, dem Tau-Neutrino und dem Gluon.
Einige werden in unterschiedlichen Kombinationen vermischt und bilden die größeren, aber immer noch unglaublich kleinen Teilchen, aus denen die Welt um uns herum besteht, sowie die Sterne und Galaxien, die wir im Weltraum sehen, während andere an den Kräften der Natur beteiligt sind.
Aber es gibt ein Problem: Astronomen haben Dinge am Himmel beobachtet – zum Beispiel die Art und Weise, wie sich Galaxien bewegen –, die stark darauf hindeuten, dass alles, was wir beobachten können, nur fünf Prozent des Universums ausmacht.
Einige oder sogar der gesamte Rest des Universums könnten aus „Geister“- oder „verborgenen“ Teilchen bestehen. Man geht davon aus, dass sie Phantomdoppelgänger der 17 Teilchen des Standardmodells sind.
Wenn sie existieren, sind sie wirklich schwer zu erkennen, da sie nur sehr selten mit der Welt, die wir kennen, interagieren. Wie Geister durchdringen sie alles und können von keinem irdischen Gerät entdeckt werden.
Die Theorie besagt jedoch, dass die Geisterteilchen in Standardmodellteilchen zerfallen und diese von Detektoren erfasst werden können.
Anstatt Partikel miteinander zu kollidieren, was bei den meisten aktuellen Experimenten der Fall ist, werden sie bei der Suche nach versteckten Partikeln (SHiP) in einen großen Materialblock geschleudert. Das bedeutet, dass alle Partikel in kleinere Stücke zerschlagen werden – und nicht in einzelne davon. Das folgende Diagramm zeigt, warum dieser Ansatz mit „festen Zielen“ so viel effektiver ist.
Der Ghostbuster-in-Chief des Projekts, Prof. Andrey Golutvin vom Imperial College London, sagte, dass das Experiment „eine neue Ära in der Suche nach versteckten Partikeln markiert“.
„SHiP hat die einzigartige Möglichkeit, mehrere der großen Probleme der Teilchenphysik zu lösen, und wir haben die Aussicht, Teilchen zu entdecken, die noch nie zuvor gesehen wurden“, sagte er.
Die Jagd nach Geisterpartikeln erfordert eine speziell angepasste Ausrüstung.
Mit normalen Experimenten, beispielsweise mit dem Large Hadron Collider, können neue Teilchen bis zu einem Meter von der Kollision entfernt nachgewiesen werden. Aber die Geisterpartikel können unsichtbar bleiben und mehrere zehn oder sogar hunderte Meter zurücklegen, bevor sie zerfallen und sich offenbaren. Daher sind die Detektoren von SHiP viel weiter entfernt platziert.
„Wir sind Entdecker“
Prof. Mitesh Patel vom Imperial College bezeichnete den neuen Ansatz als „genial“.
„Was mich an dem Experiment wirklich fasziniert, ist, dass diese Partikel direkt vor unserer Nase sind, wir sie aber aufgrund der Art und Weise, wie sie interagieren bzw. nicht interagieren, nie sehen konnten.“
„Wir sind Entdecker und glauben, dass wir in diesem neuen Terrain etwas Interessantes entdecken können. Also müssen wir einen Blick darauf werfen.“
Laut Dr. Claudia Ahdida, einer Physikerin am Cern, wird SHiP innerhalb bestehender Einrichtungen am Cern gebaut.
„Wir werden eine bestehende Kaverne und Infrastruktur sowie Teile nutzen, die wir so weit wie möglich wiederverwenden wollen, und was wir haben werden, ist eine Einrichtung, die uns bei der Suche nach diesem verborgenen Sektor helfen wird, der bisher noch nicht gesehen wurde.“ ,” Sie sagte.
SHiP wird parallel zu allen anderen Experimenten des Cern laufen, von denen das größte der Large Hadron Collider ist, der seit seiner Fertigstellung im Jahr 2008 für 3,75 Milliarden Pfund nach den fehlenden 95 % des Universums sucht. Bisher wurden keine Partikel gefunden, die nicht zum Standardmodell gehören. Daher ist geplant, eine Maschine zu bauen, die dreimal größer und viel leistungsfähiger ist.
Der Future Circular Collider hat geschätzte Anschaffungskosten von 12 Milliarden Pfund. Der geplante Starttermin liegt irgendwann in der Mitte der 2040er-Jahre, sein volles Potenzial zur Teilchenjagd wird es jedoch erst im Jahr 2070 entfalten.
Im Gegensatz dazu soll das SHiP-Experiment ab 2030 mit der Suche nach neuen Teilchen beginnen und mit rund 100 Millionen Pfund etwa hundertmal günstiger sein. Forscher sagen jedoch, dass alle Ansätze erforderlich sind, um alle möglichen Optionen zu erkunden und die Teilchen zu finden, die ihrer Meinung nach zu einem der größten Durchbrüche in der Physik aller Zeiten führen würden.
Pallab Ghosh und Kate Stephens betreten den größten Teilchenbeschleuniger der Welt, um herauszufinden, warum Wissenschaftler einen noch größeren wollen.