Ein großes Problem für die Teilchenphysik stellt ein Teilchen dar, das schwerer ist als erwartet

Das Modell, das wir haben, um die fundamentalen Teilchen des Universums zu verstehen, ist ein bisschen wie ein Getriebe: Eine winzige Änderung an den Eigenschaften eines einzelnen Teilchens bringt auch die Mechanik der anderen Teilchen durcheinander.

Wenn also ein Artikel herauskommt, der feststellt, dass die Masse eines fundamentalen Teilchens um ein kleines bisschen von dem abweicht, was zuvor angenommen wurde, sorgt das in der Welt der Physik nicht nur für Aufsehen. Wenn dies zutrifft, würde ein solcher Befund bedeuten, dass die Grundlagenphysik auf eine noch unbestimmte Weise „falsch“ ist, und die Teilchenphysik für die kommenden Jahrzehnte erschüttern.

Unser Verständnis der fundamentalen Teilchen, das als Standardmodell der Teilchenphysik bekannt ist, ist eine der herausragenden menschlichen Errungenschaften der letzten 150 Jahre. Tausende von Physikern und Ingenieuren haben über ein Jahrhundert daran gearbeitet, alle Teile zusammenzusetzen, angefangen mit der Entdeckung des Elektrons im Jahr 1897 bis hin zur Entdeckung des lange theoretisierten Higgs-Bosons im Jahr 2012.

Anfang dieses Monats gaben Wissenschaftler des Collider Detector at Fermilab (CDF) nach 20 Jahren Analyse bekannt, dass sie die genaueste Messung der Masse des W-Bosons durchgeführt haben. Nach Millionen von Versuchen und Beobachtungen ergab ihre Massenmessung 1,43385738 × 10^-22 Gramm. (Das klingt leicht, ist aber schwerer als es sein sollte.)

Die Präzision bei der Messung eines der kraftübertragenden Teilchen der Natur ist bemerkenswert: Wissenschaftler sagen, dass die revidierte Masse des Teilchens eine Genauigkeit von 0,01 % hat – doppelt so genau wie die vorherige beste Messung. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

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Aber es gibt ein großes Problem: Diese Messung steht im Konflikt mit dem Wert, den Wissenschaftler in theoretischen Eingaben für das Standardmodell verwenden. Mit anderen Worten, wenn die Massenmessung zutrifft, deutet dies darauf hin, dass das Standardmodell der Physik – eine Goldstandardtheorie, die die vier bekannten Kräfte im Universum und alle fundamentalen Teilchen erklärt – auf wackeligen Beinen steht.

Im Gegensatz zu anderen Elementarteilchen wie Quarks, Elektronen und Photonen ist das W-Boson kein Teilchen, das man normalerweise in Naturwissenschaften in der Grundschule lernt. Doch genau wie diese Teilchen ist es grundlegend für die Zusammensetzung der Materie im Universum. Das W-Boson ist ein Botenteilchen in der sogenannten „schwachen Kernkraft“, die Teil der vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen in der Teilchenphysik ist; die anderen sind Elektromagnetismus, die starke Wechselwirkung und Gravitation. Während die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft für menschliche Interaktionen und das tägliche Leben alltäglich sind und die starke Kraft die Atomkerne zusammenhält, ist die schwache Wechselwirkung nicht so offensichtlich sichtbar. Doch die schwache Kraft ist am radioaktiven Zerfall von Atomen beteiligt und für das heutige Aussehen unseres Universums genauso unverzichtbar wie die anderen drei Kräfte. Und die schwache Wechselwirkung kann nicht ohne die Hilfe eines W-Bosons auftreten.

Um die neue Masse des W-Bosons zu messen, verwendeten die Forscher Kollisionsdaten aus dem Fermi National Accelerator Laboratory, einem inzwischen außer Betrieb befindlichen Teilchenbeschleuniger in Illinois. Der Teilchenbeschleuniger von Fermilab schießt Protonen und Antiprotonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ineinander und beobachtet genau die Explosion energiereicher Teilchen, die zu den Folgen führt, und extrapoliert dann ihre Eigenschaften.

Während seiner Laufzeit gelang es dem Beschleuniger, vier Millionen W-Boson-Kandidaten zu synthetisieren, deren Eigenschaften immer wieder gemessen wurden. Durch umfangreiche Berechnungen gelangten die Wissenschaftler zu ihrer Messung, die auf sieben Standardabweichungen genau ist – weit über den fünf Standardabweichungen, die einen statistischen Goldstandard ergeben.

„Die Anzahl der Verbesserungen und zusätzlichen Überprüfungen, die in unser Ergebnis eingeflossen sind, ist enorm“, sagte Ashutosh V. Kotwal von der Duke University, der die Analyse leitete und einer der 400 Wissenschaftler in der CDF-Kollaboration ist, in einer Pressemitteilung. „Wir haben unser verbessertes Verständnis unseres Teilchendetektors sowie Fortschritte beim theoretischen und experimentellen Verständnis der Wechselwirkungen des W-Bosons mit anderen Teilchen berücksichtigt. Als wir schließlich das Ergebnis enthüllten, stellten wir fest, dass es sich von der Vorhersage des Standardmodells unterschied.“

Der Unterschied? Die neuen Messungen zeigen, dass das W-Boson etwa ein Zehntel Prozent schwerer ist als zuvor vorhergesagt und angenommen. Das scheint klein, aber es reicht aus, um ein großes Problem für die Teilchenphysik zu verursachen – wenn es stimmt.

„Die Tatsache, dass die gemessene Masse des W-Bosons nicht mit der vorhergesagten Masse innerhalb des Standardmodells übereinstimmt, könnte drei Dinge bedeuten. Entweder ist die Mathematik falsch, die Messung ist falsch oder es fehlt etwas im Standardmodell“, schreibt High -Energieteilchenphysiker John Conway in The Conversation.

Mit anderen Worten, jede Änderung des Standardmodells würde nicht nur das Standardmodell beeinflussen – es könnte die gesamte Physik und unser Verständnis des Universums erschüttern.

„Es liegt nun an der Gemeinschaft der theoretischen Physik und anderen Experimenten, dem nachzugehen und Licht in dieses Mysterium zu bringen“, sagte CDF-Co-Sprecher David Toback in einer Presseerklärung. „Wenn der Unterschied zwischen dem experimentellen und dem erwarteten Wert auf eine Art neuer Teilchen- oder subatomarer Wechselwirkung zurückzuführen ist, was eine der Möglichkeiten ist, besteht eine gute Chance, dass dies in zukünftigen Experimenten entdeckt werden könnte.“

Das Standardmodell hat sich als unglaublich erfolgreich bei der Vorhersage der Eigenschaften seiner Partikel und sogar der Eigenschaften von zuvor unsichtbaren Partikeln erwiesen. Aufgrund seiner bemerkenswerten prophetischen Natur sind Physiker bestrebt, Löcher zu stechen, die neue Entdeckungen und neue Physik hervorbringen könnten. Wie Salon im Jahr 2021 berichtete, lieferte das Muon g-2-Experiment von Fermilab tatsächlich bizarre Ergebnisse, die sich geringfügig von den Projektionen des Standardmodells unterschieden – obwohl diese Ergebnisse den „Goldstandard“ mit 5 Standardabweichungen, der sie endgültig machen würde, nicht ganz übertrafen .

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Aber wenn es darum geht, Messungen so präzise und mit einer so kleinen Fehlerspanne durchzuführen, sagen einige Physiker, dass es genauso wahrscheinlich ist, dass das Experiment Fehler aufweist als das Standardmodell.

„Sie können fragen: ‚Könnte das ein experimenteller Effekt, ein experimenteller Fehler sein, und könnte die Kalibrierung die Quelle dafür sein? Nun, es ist eine von mehreren Möglichkeiten“, Bruce Schumm, Professor für Physik an der University of California – Santa Cruz und Autor eines populären Buches über Teilchenphysik, gegenüber Salon. „Wenn der Unterschied [in mass] ist ein Fehler, vielleicht ja, die Kalibrierung des Detektors ist eine sehr wahrscheinliche Quelle dieses Fehlers, dieses Fehlers.“

Schumm sagte, es sei wichtig zu unterscheiden Richtigkeit und Präzisionwobei zu beachten ist, dass man sehr genau eine ungenaue Messung vornehmen könnte.

„Präzision ist die Größe der Ungewissheit und Genauigkeit ist die Größe potenzieller Fehler“, sagte Schumm. “Man kann etwas haben, das sehr, sehr präzise ist, aber völlig falsch.”

Schumm sagte, dass der neuen Messung der W-Boson-Masse aus dem CDF „ein schlagender Beweis fehlt“ – insbesondere ein klar identifizierter Grund dafür, dass andere Messungen aus verschiedenen Experimenten nicht mit dem Ergebnis des CDF für die W-Boson-Masse übereinstimmen.

“Es ist denkbar, dass allen anderen Messungen etwas fehlt und die CDF-Messung sorgfältiger vorgegangen ist und die richtige Antwort liefert”, sagte Schumm. „Aber ich denke, aller Wahrscheinlichkeit nach ist entweder das CDF-Ergebnis falsch oder die Gesamtheit der anderen Ergebnisse ist falsch.“

Zuvor sagte Schumm zu Salon, es sei „eine Überdramatisierung“, zu sagen, dass das Standardmodell jemals komplett neu geschrieben oder rückgängig gemacht werden würde.

„Das Standardmodell ist seit seiner Erfindung immer als das bekannt, was man eine ‚effektive Theorie‘ nennt“, sagte Schumm. Er verglich das Standardmodell mit der „Spitze eines Eisbergs“, bei der die Spitze beobachtet und gut verstanden wird, auch wenn wir nicht genau wissen, was sich unter Wasser befindet. „Ich würde jeden Geldbetrag verwetten [the Standard Model] wird niemals gestürzt werden, als Repräsentation dieser Spitze des Eisbergs”, sinnierte er.

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