Gesetzesbrechende Teilchen Können Auf Eine Bisher Unbekannte Kraft Im Universum Hinweisen

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Wissenschaftler sind sich noch nicht sicher, ob Elektronen und ihre Verwandten gegen das Standardmodell der Teilchenphysik verstoßen, aber die Beweise nehmen zu.

Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach Anzeichen für ein schlechtes Verhalten der Teilchen - Hinweise auf subtile Risse im „Standardmodell“der Teilchenphysik, der vorherrschenden Theorie, die die grundlegendsten Bausteine unseres Universums beschreibt. Obwohl sich das Standardmodell als auffallend genau erwiesen hat, wissen Wissenschaftler seit langem, dass einige Anpassungen erforderlich sein werden. Als kürzlich in Nature-Dokumenten veröffentlichtes Übersichtsartikel haben Experimentatoren nun Vorschläge von Partikeln gesehen, die gegen die Theorie verstoßen - aber sie sind nicht ganz die Verstöße, nach denen Theoretiker gesucht haben.

Die Beweise stammen von Elektronen und ihren massereicheren Cousins, Myonen und Tau-Leptonen. Nach dem Standardmodell sollten sich diese drei Partikel wie unterschiedlich große, aber ansonsten identische Tripletts verhalten. Drei Experimente haben jedoch zu wachsenden Beweisen geführt - einschließlich der Ergebnisse, die erst in den letzten Monaten bekannt gegeben wurden -, dass die Partikel auf einen noch mysteriösen Einfluss unterschiedlich reagieren. Die Ergebnisse sind noch nicht schlüssig, aber wenn sie Bestand haben, "wäre es eine vollständige Revolution", sagt Mark Wise, Theoretiker am California Institute of Technology.

Verlockende Zeichen

Eine Umstellung im Standardmodell wäre enorm. Diese Theorie hat das Fundament der Teilchenphysikforschung gebildet, seit sie Ende des 20. Jahrhunderts konkretisiert wurde. Es zerlegt das Universum in zwölf Elementarteilchen, aus denen die gesamte Materie besteht, sowie in Kraftträgerteilchen, die die fundamentalen Kräfte der Natur übertragen. (Zum Beispiel üben Teilchen elektrische oder magnetische Kräfte aus, indem sie transiente Photonen austauschen.) Trotz seiner Erfolge sagt das Standardmodell jedoch nichts voraus, was die Schwerkraft oder die dunkle Materie erklären würde, von der angenommen wird, dass sie den Raum unsichtbar bewohnt. Um die Teilchenphysik mit diesen größeren Beobachtungen zu verbinden, haben Theoretiker alle Arten von "neuen Physik" -Materien oder Kräften vorgeschlagen, die über die Menagerie des Standardmodells hinausgehen. Aber die meisten Experimente haben die Theorie hartnäckig mit beeindruckender Genauigkeit bestätigt und keine Beweise für die hypothetischen Teilchen oder Kräfte gefunden.

Seit 2012 tauchen jedoch Anzeichen für ein Fehlverhalten von Partikeln in einer weniger erforschten Ecke des Standardmodells auf: einem Muster namens „Lepton-Universalität“. Hier bezieht sich "Lepton" auf die Klasse von Teilchen, einschließlich Elektronen, Myonen und Taus. Das Standardmodell sagt voraus, dass diese drei Arten auf genau dieselbe Weise miteinander und mit anderen Partikeln kommunizieren sollten, mit Ausnahme von Unterschieden, die auf ihre einzigartigen Massen zurückzuführen sind - eine Gemeinsamkeit des Verhaltens, die den zweiten Term in der Lepton-Universalität erklärt.

Die erste Lepton-Überraschung zeigte sich in den Ergebnissen, die 2012 aus dem BaBar-Experiment im SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien, bekannt gegeben wurden. Der Teilchenbeschleuniger von BaBar rammte Elektronen und ihre Antimaterie-Äquivalente, sogenannte Positronen, zusammen. Die Kollisionen erzeugten viele zusammengesetzte Partikel, die schwer, aber instabil waren: Sie wirkten wie absurd radioaktive Uranatome und dauerten nur Bruchteile einer Nanosekunde, bevor sie in immer kleinere Partikel zerfielen. Die Endprodukte wurden in die Detektoren des Beschleunigers ausgespuckt, sodass Wissenschaftler die Kette der Partikelzerfälle rekonstruieren konnten. Wenn das Standardmodell richtig ist, sollten zwei der vom BaBar-Team untersuchten Zerfallstypen nur 25 bis 30 Prozent so oft produzieren wie Elektronen, die leichter und damit leichter herzustellen sind. Aber das hat das Team nicht gesehen. Taus waren weitaus häufiger als sie hätten sein sollen, was auf einen Unterschied zwischen Taus und Elektronen jenseits ihrer Masse hindeutete.

Das Ergebnis von BaBar war nur der Anfang. Zwei weitere Experimente, das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider in der Schweiz und das Belle-Experiment an der High Energy Accelerator Research Organization in Japan, untersuchten dieselben Zerfälle und veröffentlichten 2015 ähnliche Ergebnisse. Belle kollidiert wie BaBar mit Elektronen und Positronen. LHCb kollidiert jedoch Protonen mit anderen Protonen bei viel höheren Energien und verwendet verschiedene Methoden, um die Produkte nachzuweisen. Diese Unterschiede machen es schwieriger, die Ergebnisse als experimentelle Fehler wegzuwinken, was die Aussicht auf eine echte Anomalie stärkt.

Darüber hinaus hat LHCb auch Anzeichen einer Verletzung der Lepton-Universalität bei einer anderen Art von Lepton-produzierendem Zerfall gefunden und vor einigen Monaten mögliche Abweichungen bei noch einem vierten Zerfallstyp angekündigt. Erst letzten Monat wurde eine ähnliche Ungleichheit zwischen Elektronen und Myonen (anstelle von Taus) in einem verwandten Zerfall gemeldet. All diese konvergierenden Beweislinien sprechen zunehmend dafür, dass etwas systematisch faul ist. "Wenn sich [die Abweichungen] als real herausstellen", sagt BaBar-Sprecher und Professor Michael Roney von der University of Victoria, "wäre es seltsam, wenn sie nicht verwandt wären."

Eine Revolution - wenn es echt ist

Wenn sich die verschiedenen Leptonen wirklich unterschiedlich verhalten, wäre die einzige Erklärung eine zuvor nicht erkannte Kraft. Nach dem Standardmodell zerfallen größere Partikel über die „schwache Kraft“in Leptonen (und andere Produkte), dieselbe Kraft, die einige Formen des radioaktiven Zerfalls verursacht. * Die schwache Kraft behandelt jedoch alle Leptonen gleich. Wenn mehr taus herauskommt, als die schwache Kraft erzeugen sollte, muss eine unbekannte Kraft, die mit einem unentdeckten begleitenden Kraftträgerteilchen verbunden ist, die größeren Teilchen auf eine Weise abbauen, die taus begünstigt. Das Finden einer solchen Kraft wäre ebenso grundlegend wie die Entdeckung des Elektromagnetismus, wenn auch mit viel geringeren Auswirkungen auf unser tägliches Leben. "Es ist tatsächlich mit wenig Übertreibung eine Revolution in der Physik", sagt Hassan Jawahery, University of Maryland, College Park, Physiker und Mitglied der LHCb-Zusammenarbeit.

Weil die Auswirkungen so dramatisch wären, werden Physiker überwältigende Beweise verlangen - eine Belastung, die den Experimentatoren bewusst ist. Greg Ciezarek, einer der Autoren des Nature Review und Postdoktorand am Nikhef National Institute for Subatomic Physics in Amsterdam, sagt, dass Verstöße gegen die Lepton-Universalität "im Bereich außergewöhnlicher Ansprüche liegen", die, wie das Sprichwort sagt, außerordentlich erfordern Beweise. ** Roney fasst die Skepsis zusammen: "Sie wetten nicht gegen das Standardmodell."

Die bisherigen Beweise sind nicht unwesentlich. Wenn alle Daten kombiniert werden, liegt die Wahrscheinlichkeit, dass die Tau / Elektronen-Abweichungen nur statistische Fehler sind, jetzt bei etwa einem von 10.000. Für jede alltägliche Frage würde dies mehr als ausreichen. Aber Teilchenphysiker sind skeptisch; Die Community wird eine Entdeckung erst dann als bestätigt betrachten, wenn nur eine Eins-zu-3,5-Millionen-Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms besteht. Wie einige "chronologisch fortgeschrittene" Wissenschaftler bestätigen können, wurden sie bereits zuvor verbrannt, sagt Zoltan Ligeti, Professor für theoretische Physik am Lawrence Berkeley National Laboratory. "Wir haben in der Vergangenheit ähnliche Schwankungen gesehen, die gekommen und gegangen sind."

Die Beweise sind noch schwerer zu schlucken, wenn man bedenkt, wie weit die Lepton-Universalität von den Erwartungen der Theoretiker entfernt ist, wo Risse im Standardmodell auftreten könnten. "Es gibt eine Art Story, die die Theoretiker erzählen", sagt Wise, "und das ist nicht in der Story." Was noch schlimmer ist, die vorgeschlagenen Erklärungen für das Verhalten der Leptonen scheinen ad hoc und unbefriedigend. "Die Art von Modellen, die zu den … Anomalien passen, macht auf den ersten Blick nichts anderes", sagt Ligeti. "Zum Beispiel bringen sie dich nicht näher an das Verständnis, was dunkle Materie sein könnte."

Dennoch fügt er hinzu: "Die Natur sagt uns, wie die Natur ist." Die Physiker nehmen zunehmend die anhaltende Beständigkeit der Verstöße zur Kenntnis und schlagen neue theoretische Erklärungen vor. Experimentalisten und Theoretiker versuchen ebenfalls, die Unsicherheiten bestehender Messungen zu verringern. Letztendlich werden die größten Enthüllungen kommen, wenn LHCb und die nächste Version von Belle mehr Daten produzieren. Die Physiker sind optimistisch, dass wir innerhalb von etwa fünf Jahren nicht nur wissen werden, ob der Effekt real ist, sondern auch eine Erklärung dafür haben werden. "Wenn es ein neues [Kraftträger-] Teilchen gibt", sagt Svjetlana Fajfer, Theoretikerin an der Universität von Ljubljana in Slowenien, "sollte es eine Masse in Reichweite von LHC haben", was bedeutet, dass der Kollider produzieren kann und ein solches Teilchen identifizieren. Für einige Theoretiker ist diese Testbarkeit ein großer Vorteil. "Das macht es wirklich aufregend, denn wenn ich etwas tue, kann es als richtig oder falsch erwiesen werden", sagt Ligeti. "Auf die eine oder andere Weise wird der Fall klar."

* Anmerkung des Herausgebers (14.08.17): Dieser Satz wurde nach der Veröffentlichung bearbeitet, um das Original zu verdeutlichen.

** Anmerkung des Herausgebers: (14.08.17): Dieser Satz wurde nach dem Posten bearbeitet. Das Original schrieb fälschlicherweise die Hauptautorschaft der Rezension Greg Ciezarek zu.