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Donnerstag, 08.12.2016
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Gibt es eine fünfte Grundkraft im Kosmos?

Anomalie in Zerfallsdaten könnte auf ein noch unbekanntes Kraftteilchen hindeuten

Mysteriöse Anomalie: Das Ergebnis eines Teilchenexperiments sorgt für Diskussionen in der Physikergemeinde. Denn eine beim Zerfall radioaktiven Berylliums entdeckte Anomalie könnte nach Ansicht einiger Forscher auf eine noch unbekannte fünfte Grundkraft des Universums hindeuten. Sie halten die Existenz eines "Dunklen Bosons" für möglich – eines Kraftteilchens, das vor allem auf die Dunkle Materie wirkt.
Gibt es eine fünfte Grundkraft, die vor allem auf die Dunkle Materie wirkt? Die blaue und grünen Flächen in diesem Galaxiencluster markieren Stellen mit besonders hoher Konzentration der Dunklen Materie.

Gibt es eine fünfte Grundkraft, die vor allem auf die Dunkle Materie wirkt? Die blaue und grünen Flächen in diesem Galaxiencluster markieren Stellen mit besonders hoher Konzentration der Dunklen Materie.

Auslöser der aktuellen Diskussion ist ein Experiment ungarischer Forscher, die die beim radioaktiven Zerfall von Beryllium-8l entstehenden Teilchen untersucht hatten. Ziel war es dabei, Hinweise auf "dunkle Photonen" zu finden – eine Teilchensorte, die neben den WIMPs als mögliche Partikel der Dunklen Materie gelten.

Partikelflug in die "falsche" Richtung


Die erhofften dunklen Photonen fanden die Forscher nicht, wohl aber eine Anomalie, die auf ein weiteres unbekanntes Teilchen hindeuten könnte. Bei etwa jedem millionsten Zerfall flogen das normalerweise von einem Photon erzeugte Elektron und Positron nicht in die gleiche Richtung, sondern in die entgegengesetzte.

Aus diesen Beobachtungen schlossen die Forscher, dass in diesen Zerfällen ein unbekanntes Teilchen mit etwa der 30-fachen Masse eines Elektrons entstanden sein könnte. Worum es sich dabei handeln könnte, blieb unklar. "Sie wussten nicht, ob hier ein Materie-Teilchen oder ein kraftvermittelndes Teilchen vorliegen könnte", erklärt Jonathon Feng von der University of California in Irvine.


Ist es ein Kraftteilchen?


Um hier mehr Klarheit zu schaffen, haben Feng und seine Kollegen nun die Daten der ungarischen Physiker und die von ähnlichen, früheren Experimenten analysiert. Auch sie kommen zu dem Schluss, dass die die Anomalie in den Zerfallsdaten durchaus auf ein unbekanntes Teilchen hindeuten könnte. Ihre Theorie geht aber noch einen Schritt weiter: Sie vermuten hinter dem Phänomen sogar ein ganz neues Eichboson.

Im Standardmodell der Teilchenphysik sind bisher vier Eichbosonen (rot) bekannt – für die starke und schwache Kernkraft und die elektromagnetische Kraft.

Im Standardmodell der Teilchenphysik sind bisher vier Eichbosonen (rot) bekannt – für die starke und schwache Kernkraft und die elektromagnetische Kraft.

Diese Kraftteilchen sind nach dem gängigen Standardmodell der Physik die Vermittler der vier Grundkräfte des Universums – der starken und schwachen Kernkraft, der elektromagnetischen Kraft und der Gravitation. So werden beispielsweise die Quarks in einem Proton durch Gluonen zusammengehalten, die Photonen sind die Überträger der elektromagnetischen Kraft. Bisher rein hypothetisch ist dagegen das Trägerteilchen der Schwerkraft, das Graviton.

Eine eigene Kraft für die Dunkle Materie?


Nach Ansicht von Feng und seinen Kollegen könnte es sich bei dem potenziellen Teilchen der Ungarn um ein weiteres dieser Überträgerteilchen handeln. Denn ihrer Analyse nach passen die Daten weder zu einem Materieteilchen noch zu dem hypothetischen "dunklen Photon". Stattdessen halten sie die Existenz eines Eichbosons für eine fünfte Grundkraft für möglich.

Tatsächlich ist die Idee einer weiteren Grundkraft nicht neu: Schon länger spekulieren Physiker darüber, ob möglicherweise die Dunkle Materie von einer eigenen Kraft beeinflusst wird. Feng und seine Kollegen halten es für möglich, dass die Anomalie in den Zerfallsdaten auf ein Boson genau dieser fünften Grundkraft hindeutet.

Austausch "Dunkler Bosonen"


Die Teilchen der Dunklen Materie könnten demnach miteinander wechselwirken, indem sie eines dieser "Dunklen Bosonen" austauschen. Mit normaler Materie würde dieses Boson dagegen nur sehr eingeschränkt interagieren, wie die Zerfallsdaten nahelegen. Demnach hätte es auf Protonen keine Wirkung, wohl aber auf Elektronen und Neutronen – wenn auch nur aus sehr geringer Entfernung.

"Wenn das wahr wäre, wäre das revolutionär", sagt Feng. "Die Entdeckung einer fünften Grundkraft würde unser Verständnis des Universums vollkommen verändern und hätte enorme Konsequenzen für die Vereinheitlichung der Grundkräfte und die Dunkle Materie."

Die weltweite Fahndung läuft


Noch allerdings ist die Datenbasis für eine fünfte Grundkraft und ihr Boson ziemlich dünn. "Wir sind vorsichtig optimistisch, denn unsere Interpretation passt sehr gut zu den Daten", sagt Fengs Kollege Even Bartosz. "Aber es könnte auch ein Fehler im Experiment sein oder es könnte einen kernphysikalischen Effekt geben, den wir bisher noch nicht kennen."

Das Gute daran: Ob diese Anomalie wirklich existiert, lässt sich durch weitere Experimente leicht nachprüfen. Denn das potenzielle Teilchen ist mit nur 30-facher Elektronenmasse nicht sehr schwer und müsste sich – wenn es denn existiert – in sehr vielen Laboren erzeugen und nachweisen lassen. "Es gibt viele experimentelle Gruppen weltweit, die dieser Spur folgen können – jetzt, wo sie wissen, wo sich nachschauen müssen", sagt Feng. Einige Arbeitsgruppen haben die Suche bereits begonnen.

Eindeutigere Daten in ein bis zwei Jahren


Daraus ergibt sich die Frage, warum dieses Teilchen dann nicht schon längst nachgewiesen wurde. Feng erklärt es mit der geringen Interaktion dieses Bosons mit normaler Materie. Weil nur bestimmte Partikel unter bestimmten Bedingungen beeinflusst werden, gehe dieses Signal leicht im Rauschen unter.

Der Physiker ist sich aber sicher, dass eine gezielte Suche ein eindeutiges Ergebnis liefern wird – und das schon in den nächsten ein bis zwei Jahren. Ob es tatsächlich eine fünfte, auf die Dunkle Materie wirkende Grundkraft gibt, müsste sich dann zeigen. (Physical Review Letters, 2016; doi: 10.1103/PhysRevLett.117.071803)
(University of California – Irvine, 22.08.2016 - NPO)
 
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