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Mittwoch, 25.01.2017
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Teilchen-Peak Indiz für neue Grundkraft?

„Buckel“ in Tevatron-Daten deutet auf Existenz unbekannten Teilchens oder Wechselwirkung hin

Amerikanische Teilchenphysiker haben bei der Auswertung von Kollisionsdaten ein Signal entdeckt, das zu keinem der bekannten Teilchen oder Grundkräfte unseres physikalischen Standardmodells zu passen scheint. Bei einer bestimmten Energie registrierte der Teilchendetektor „Tevatron“ rund 250-mal mehr Treffer als dort eigentlich sein dürften. Wenn sich die Messungen bestätigen, könnte sich dies als eine der wichtigsten Entdeckungen der Physik entpuppen. Andere Physikerteams wollen nun in ihren Beschleuniger-Daten ebenfalls nach dem rätselhaften Signal fahnden.
Collider Detector (CDF) am Fermilab

Collider Detector (CDF) am Fermilab

Schon seit mehr als 20 Jahren lassen Physiker im Tevatron des Fermilab nahe Chicago Teilchen aufeinanderprallen. Protonen und ihre Antiteilchen, die Antiprotonen, werden dabei auf mehr als hundert Milliarden Elektronenvolt beschleunigt und dann in entgegengesetzter Richtung in den „Collider Detector“ (CDF) eingespeist. Eine der Experimentreihen zielte darauf, ein sehr schweres, kurzlebiges Teilchen, das W-Boson zu erzeugen. Jetzt, wenige Monate vor einem möglichen Betriebsende des Beschleunigers, könnte den Forschern im Rahmen dieser Serie eine unerwartete Sensation geglückt sein.

„Buckel“ in den Daten


In einer Auswertung von rund 10.000 Kollisionen stießen die Physiker auf einen seltsamen „Buckel“ in den Daten: Bei der Kollisionsenergie von 140 Gigaelektronenvolt (GeV/c2) schienen mehr Elektronen und Muonen entstanden zu sein als eigentlich dürften. Immerhin 253 Treffer mehr als erwartet zählte der Detektor. „Der Peak ist ein Überschuss von Teilchenkollisionen-Ereignissen, die den W-Boson erzeugen”, so die Erklärung des Fermilabs. Eine solche Häufung von Kollisionen in einem Bereich deutet normalerweise auf das Vorhandensein eines Teilchens hin. „Dieser Peak erscheint jedoch in einer Massenregion, in der wir keinen erwartet haben.“

Erwarteter Verlauf (rot) und tatsächlicher (schwarz)

Erwarteter Verlauf (rot) und tatsächlicher (schwarz)

Peak passt nicht ins Standardmodell


Der rätselhafte Buckel passt zu keiner der bekannten oder im Standardmodell vorhergesagten Teilchenformen oder Grundkräfte. Das Ausgangsteilchen müsste mit der 160-fachen Masse eines Protons entweder doppelt so schwer sein wie ein normales W-Boson, oder aber hier hat sich ein Teilchenzerfall abgespielt, der den bekannten Gesetzen widerspricht. „Entweder ist das, was wir über diesen Prozess zu wissen glaubten falsch, oder aber es gibt einen völlig neuen Effekt”, so der Sprecher des Fermilab, Giovanni Punzi.


„Keiner weiß, was es ist", kommentiert Christopher Hill vom Fermilab, der selbst nicht an den Experimenten beteiligt war. „Wenn es echt ist, wäre es die bedeutendste Entdeckung in der Physik der vergangenen 50 Jahre." Tatsächlich gibt es bereits einige Modelle, die die Existenz von fundamentalen Wechselwirkungen über die bekannten hinaus postulieren. Aussagekräftige Indizien dafür gab es aber bisher nicht.

Eine andere Möglichkeit wäre, dass eine der grundlegenden Theorien falsch ist, mit der in der Teilchenphysik das so genannte „background spectrum“ ermittelt wird. Sie galt bisher als verlässlich und gut verstanden und bildet die Basis für nahezu alle Berechnungen und Schlussfolgerungen aus teilchenphysikalischen Experimenten. „Wenn wir diese Werkzeuge in Frage stellen, beträfe dies auch unser Verständnis der fundamentalen Kräfte der Natur, der Basis unserer Teilchenphysik.“

Fermilab-Froscherin Viviana Cavaliere bei der Präsentation der Ergebnisse

Fermilab-Froscherin Viviana Cavaliere bei der Präsentation der Ergebnisse

Rechenfehler möglich aber unwahrscheinlich


Die Möglichkeit eines Berechnungsfehlers besteht natürlich. Doch nach Angaben der Forscher liegt die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine statistische Fluktuation handelt, bei 1:1.375. Die von ihnen ermittelte Signifikanz nach Herausrechnen der systematischen Unsicherheiten liegt bei 3,2. Ab einem Wert von Sigma 5 gilt ein Ergebnis unter Teilchenphysikern offiziell als Entdeckung.

Die Fermilab-Physiker wollen nun die Analyse noch einmal mit mindestens der doppelten Datenmenge durchführen um zu sehen, ob der „Buckel“ dann ausgeprägter oder flacher wird. Andere Beschleuniger-Experimente, darunter auch der Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf werden ebenfalls in ihren Daten nach einem Signal bei 140 GeV/c2 fahnden. Die vorläufigen Ergebnisse haben die Fermilab-Forscher jetzt beim Fachmagazin „Physical Review Letters” eingereicht.
(Fermilab, 08.04.2011 - NPO)
 
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