W-Boson: Ist das Standardmodell der Physik falsch?

Wissenschaftler der Teilchenphysik haben Hinweise entdeckt, dass es eine ganz neue Physik geben könnte. Diese kann unser Verständnis des Universums völlig auf den Kopf stellen. 

Das Fermilab in Illinois in den USA ist eine Forschungseinrichtung, die vor allem der physikalischen Grundlagenforschung dient. Man könnte sagen: Hier werden kleinste Teilchen zur Kollision gebracht, um die Grundzüge unser physikalischen Realität zu verstehen. Denn, wenn wir herausfinden, wie kleinste Elementarteilchen miteinander wechselwirken, dann ist das der Schlüssel dazu, wie das Universum eigentlich funktioniert. Aber wie läuft das genau ab? Wie bringt man Teilchen zum Kollidieren und was für Erkenntnisse zieht man dann daraus? 

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Um die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen zu untersuchen, benötigt man riesige Teilchenbeschleuniger. Bis zum Jahre 2011 wurde am Fermilab zu diesen Zwecken der Tevatron-Teilchenbeschleuniger genutzt, der einen Umfang von sechs Kilometern aufwies. In diesen großen Anlagen können Teilchen beinahe auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Im Tevatron ließ man vor allem Protonen und Anti-Protonen kollidieren. 

Darstellung einer Teilchenkollision

Aber wie misst man dann den Effekt, wenn zwei Teilchen miteinander kollidieren? Dafür sind in Teilchenbeschleunigern wie dem Tevatron eine Vielzahl von sogenannten Teilchendetektoren installiert, die die Flugbahn der kollidierten Teilchen messen können. Durch die Flugbahn wiederum kann man Rückschlüsse auf den Effekt der Kollision ziehen und insbesondere darauf, welche neuen Teilchen eventuell durch die Kollision entstanden sind. Grundsätzlich stehen die Ergebnisse solcher Teilchenkollisionen immer im Einklang mit dem sogenannten Standardmodell der Physik. 

Das Standardmodell ist im Prinzip die Gesamtheit der Erkenntnisse, die wir heutzutage im Hinblick auf die Physik von Elementarteilchen für richtig halten. Das Standardmodell beschreibt vor allem die uns bekannten Elementarteilchen, also die allerkleinsten Bausteine der Materie, und die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, also insbesondere die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung. Wenn sich das Standardmodell als fehlerhaft herausstellen sollte, müssten wir im Prinzip alle unsere Annahmen über den Kosmos in Frage stellen. Warum aber glauben die Teilchenphysiker, dass Daten des Fermilabs das Standardmodell der Physik ins Wanken bringen könnten?

Aus Teilchenzerfällen im Tevatron-Beschleuniger haben die Physiker am Fermilab die Masse des W-Bosons neu ermittelt – so genau wie nie zuvor. Da könnte man jetzt ganz unbedarft fragen…

Was ist ein W-Boson?

Teilchenbeschleuniger Tevatron

Ein W-Boson ist ein Elementarteilchen, also eines der kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Das W-Boson ist verantwortlich für die sogenannten „geladenen Ströme“ der schwachen Wechselwirkung, einer der fundamentalen Wechselwirkungen der Physik. Das W-Boson ist kein normales Elementarteilchen, im Gegensatz zum Beispiel zu den Elementarteilchen, aus denen Ihr oder alles, was Ihr kennt, besteht. Es ist ein sogenanntes Eichboson. Das bedeutet, dass es nur in hochenergetischen Experimenten der Teilchenphysik zum Vorschein kommt und nicht im normalen Alltag. 

Das Standardmodell der Physik stimmt nicht mehr? Egal, immer schön positiv bleiben

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Halten wir fest, dass das W-Boson ein Elementarteilchen ist, dass die schwache Wechselwirkung, also eine der vier Elementarkräfte der Physik überträgt. Es ist ein Trägerteilchen einer der Grundkräfte der Physik. Und gemäß des Standardmodells der Physik besitzt ein W-Boson eine gewisse Masse, nämlich ungefähr die 80-fache Masse eines Protons, also eines positiv geladenen Elementarteilchens. 

Doch jetzt das Unerwartete: Die Auswertung der Versuche am Fermilab haben eine andere Masse des W-Bosons ergeben. Es ist demnach signifikant schwerer, als es der Theorie nach sein dürfte. Das klingt erstmal unspektakulär, doch das würde bedeuten, dass das Standardmodell der Physik falsch liegt – und wenn das Standardmodell der Physik falsch ist, dann würde das im Prinzip all unsere Annahmen über die Naturgesetze des Kosmos betreffen. Das Gewicht des kleinen W-Boson hat also massive Auswirkungen auf unser Verständnis des gesamten riesigen Kosmos. 

Innenansicht vom Tevatron

Die Messungen am Fermilab beruhen auf Daten des schon erwähnten Tevatron-Teilchenbeschleunigers, in dem Protonen und Antiprotonen mit hoher Geschwindigkeit zur Kollision gebracht wurden. Bei diesen Kollisionen entstehen W-Bosonen, die nach kurzer Zeit entweder in ein Elektron und Neutrino oder ein Myon und Neutrino zerfallen. Was es mit diesen Teilchen im einzelnen auf sich hat, würde die Länge des Beitrags sprengen, wichtig ist auch nur, dass aus der Flugrichtung und Energie dieser Zerfallsprodukte ermittelt werden kann, wie schwer das W-Boson sein muss. Und das Ergebnis der Forscher: Das W-Boson besitzt eine Masse von 80,4335 Megaelektronenvolt – es dürfte gemäß des Standardmodells aber nur 80,357 Megaelektronenvolt besitzen. 

Wie ist das also zu erklären? Vielleicht handelt es sich nur um einen Messfehler? Unwahrscheinlich, denn die Daten der Physiker beruhen auf 4,2 Millionen solcher Teilchenzerfälle im Tevatron-Beschleuniger, die zwischen 1985 und 2011 registriert wurden. Der beteiligte Physiker Ashutosh Kotwal sagt dazu: “Dieser Datensatz ist viermal so groß wie bei früheren Messungen und hat eine doppelt so hohe statistische Genauigkeit. Wir haben unser Ergebnis einer enormen Menge an Überprüfungen und Tests unterzogen.“ 

Also spricht einiges dafür, dass kein Messfehler vorliegt, sondern tatsächlich das physikalische Standardmodell unvollständig ist. Das muss nicht zwingend bedeuten, dass alle unsere physikalischen Annahmen falsch sind, aber dass es noch unbekannte physikalische Prozesse gibt, vielleicht noch nicht entdeckte Elementarteilchen, und das Standardmodell erweitert oder angepasst werden muss. Es könnte auch bedeuten, dass es noch unentdeckte Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene gibt, die das W-Boson beeinflussen und zu den unerwarteten Ergebnissen führen. 

Bisher haben sich solche Messergebnisse, die das Standardmodell in Frage stellen, immer als unkorrekt beziehungsweise Messfehler herausgestellt, aber diesmal sieht es so aus, als wäre das physikalische Standardmodell erstmals in realer Gefahr. Physiker und Sprecher des Fermilabs David Toback sagt: “Wenn die Diskrepanzen zwischen erwartetem und gemessenem Wert auf ein neues Teilchen oder eine noch unbekannte subatomare Wechselwirkung zurückgehen, dann besteht eine gute Chance, dass sie in künftigen Experimenten entdeckt werden.”

Ihr wollt mehr über W-Boson erfahren? Dann schaut euch das neue Video von Astro-Tim an:

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Dunkle Energie: Durchbruch bei der Suche!

Dunkle Energie gilt als eines der größten Mysterien unseres Kosmos – nun könnte der historische Nachweis eines Dunkle-Energie-Partikels gelungen sein.

Um den Unterschied zwischen Dunkler Energie und Dunkler Materie klären, muss man ganz am Anfang beginnen. Vor 13,8 Milliarden Jahren entstand das Universum aus dem Nichts in einer sogenannten Singularität und begann dann zu expandieren. Erst war es ganz klein, dann immer größer und größer und größer. Bis heute. Das ist die Urknall-Theorie. Nun würde man vermuten, dass die Expansion des Weltraums irgendwann nachlassen würde. Denn je länger der Urknall her ist, desto mehr schwächt sich seine Energie ab und desto langsamer müsste der Weltraum wachsen und irgendwann dann sogar wieder schrumpfen. Wie ein Luftballon, in den einmal heftig reingepustet wird und irgendwann ist im wahrsten Sinne des Wortes die Luft raus. Beobachtungen zeigen aber eine ganz andere Realität: Der Weltraum wird immer schneller immer größer. Die Expansion verlangsamt sich nicht, sie beschleunigt sich. Also muss es noch irgendeine weitere Kraft neben der ursprünglichen Energie des Urknalls geben, die den Kosmos zum wachsen bringt. Und da niemand eine konkrete Idee hat, was das für eine Kraft sein könnte, nennt man sie Dunkle Energie. In einem Satz könnte man also sagen: Die Dunkle Energie ist eine noch nicht näher bestimmbare Kraft, die die Expansion des Kosmos vorantreibt. 

Die Expansion des Universums beschleunigt sich

Und Dunkle Materie? Innerhalb von kleineren Bereichen des Kosmos, zum Beispiel unserem Sonnensystem oder auch unserer Galaxis, spielt die Expansion des Kosmos keine Rolle. Zum Glück! Man stelle sich vor, wir würden von der Erde weg expandieren – oder unser Sonnensystem würde aus der Milchstraße raus expandieren.Der Grund dafür, dass innerhalb kleinerer Bereiche nichts expandiert, ist, dass hier die Schwerkraft, die Gravitation stärker ist als die Expansion. In unserer Milchstraße beispielsweise überwiegt die Schwerkraft der Sternsysteme, Schwarzen Löcher und anderer Himmelskörper untereinander die Expansion des Universums und deswegen hält die Milchstraße zusammen. Aber jetzt kommt ein kleines Problem: Wissenschaftliche Berechnungen haben ergeben, dass die Schwerkraft der Objekte in unserer Galaxis eigentlich gar nicht ausreicht, um das ganze Gebilde zusammenzuhalten. Wenn man nur die sichtbaren Himmelskörper unserer Galaxis miteinberechnet, müsste die Gravitation eigentlich so schwach sein, dass die Milchstraße von der Expansion und der Dunklen Energie zerrissen würde. Wird sie aber offensichtlich nicht. Also gibt es scheinbare eine ominöse Kraft, die ähnlich wie die Schwerkraft Objekte zusammenhält. Da man auch hier keine konkrete Idee hat, was diese Kraft genau ist, nennt man sie Dunkle Materie. Zusammengefasst: Dunkle Materie ist eine ominöse Kraft, die Dinge zusammenhält, Dunkle Energie ist eine ominöse Kraft, die Dinge auseinander treibt. 

Dunkle Energie und Dunkle Materie sind noch weitestgehend rätselhaft

Wie lässt sich mehr über Dunkle Materie und Dunkle Energie herausfinden? in Italien wurde zu diesem Zwecke das XENON Dark Matter Project gestartet. Xenon1T ist ein Instrument, das Dunkle Materie nachweisen soll und steht im Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ein unterirdisches High-Tech-Labor. Die Laborräume liegen 1.400 Meter unterirdisch unter dem Gran Sasso Gebirge, da sie dort von kosmischer Strahlung abgeschirmt ist, die man an der Erdoberfläche nicht verhindern kann. Für die Suche nach Dunkler Materie ist es aber essentiell, dass man diese störende kosmische Strahlung ausblenden kann. Die dort forschende Wissenschaftlerin Dr. Sunny Vagnozzi beschreibt das Projekt so:

“Obwohl beide Komponenten unsichtbar sind, wissen wir viel mehr über die dunkle Materie, da ihre Existenz bereits in den 1920er Jahren vermutet wurde, während die dunkle Energie erst 1998 entdeckt wurde. Groß angelegte Experimente wie XENON1T wurden entwickelt, um dunkle Materie direkt aufzuspüren, indem nach Anzeichen dafür gesucht wird, dass dunkle Materie auf gewöhnliche Materie trifft.”

– Dr. Sunny Vagnozzi

Das Instrument besitzt zwei Kammern, die mit flüssigem und gasförmigen Xenon, einem speziellen chemischen Element, gefüllt sind. Xenon eignet sich mutmaßlich besonders gut zur Detektion von Dunkle-Materie-Teilchen, da es eine sehr hohe Dichte besitzt. Wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen, auch genannt WIMP, das steht für weakly interacting massive particles, also schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, dann mit dem Xenon kollidiert, erhofft man sich eine Reaktion, die man messen kann um so mehr über Dunkle Materie herauszufinden. Bei der Auswertung von Labordaten aus dem vergangenen Jahr stieß man auf etwas, das man absolut nicht erwartet hatte – nämlich nicht auf Dunkle Materie, sondern auf Dunkle Energie. 

Das Instrument XENON1T soll sogenannte WIMP-Teilchen detektieren

Wie kann man versehentlich auf die expansive Dunkle Energie stoßen, wenn man eigentlich nach der zusammenhaltenden Dunklen Materie sucht? Zunächst ist den Forschern ein ungewöhnlich starkes Signal aufgefallen das von Xenon1T gemessen wurde und das sich von allem unterschied, das man bei einer Reaktion mit einem WIMP-Teilchen erwarten würde. Dr. Luca Visinelli, der an der Entdeckung beteiligt war, sagt:

“Solche Exzesse sind oft Zufallstreffer, aber hin und wieder können sie auch zu grundlegenden Entdeckungen führen. Wir haben ein Modell untersucht, bei dem dieses Signal auf dunkle Energie zurückzuführen sein könnte und nicht auf die dunkle Materie, für deren Nachweis das Experiment ursprünglich konzipiert wurde. Es war wirklich überraschend, dass dieser Überschuss im Prinzip durch dunkle Energie und nicht durch dunkle Materie verursacht worden sein könnte. Wenn die Dinge so zusammenpassen, ist das wirklich etwas Besonderes.”

– Dr. Luca Visinelli

Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass dieses Exzess-Signal durch ein sogenanntes Axion ausgelöst wurde. Ein Axion ist ein spezielles Elementarteilchen ohne elektrische Ladung und ohne Eigendrehimpuls, wie ihn andere Teilchen aufweisen. Das Axion ist allerdings auch noch höchst hypothetisch. Die Entdeckung eines Axions wäre daher auch revolutionär gewesen. Allerdings wäre eine derart große Masse an Axionen nötig gewesen, um das von Xenon1T observierte Signal zu erklären, dass dies im Prinzip alle unsere astrophysikalischen Erkenntnisse über die Teilchenentstehung in Sternen ad absurdum geführt hätte. Diese Erklärung erscheint also nicht sonderlich plausibel. Die Forscher entwickelten eine noch spektakulärerer These: Das entdeckte Signal könnte durch ein Dunkle-Energie-Teilchen verursacht worden sein! Obwohl die Dunkle Energie eigentlich nur in sehr großen Maßstäben da sein sollte, könnte sie sich in den lokaleren Bereich des Weltraums, der ja eigentlich von der Gravitation und der Dunklen Materie beherrscht wird, einschleichen und sich gut verstecken – wie ein kosmisches Chamäleon.

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Deswegen hat das Forscherteam ein physikalisches Modell entwickelt, um diese Zeichen von Dunkler Energie genauer zu untersuchen – das Modell trägt passenderweise den Namen Chamäleon. Das Chamäleon-Screening soll nachweisen, ob die These der Forscher stimmt. Diese These ist ziemlich revolutionär und lautet, dass in einem bestimmten Bereich der Sonne, der sogenannten Tachocline-Region, Dunkle Energie produziert wird, was etwas damit zu tun haben könnte, dass dort das Magnetfeld besonders stark ist. Unsere Sonne selbst könnte also in kleinen Mengen die geheimnisvolle Kraft erzeugen, die das Universum zum Expandieren bringt.

Produziert unsere Sonne Dunkle Energie?

Ob das wirklich so ist, kann man erst sagen, wenn die Messung mit dem Xenon1T-Instrument wiederholt werden kann. Das Instrument soll in Zukunft noch einige Upgrades bekommen und gemeinsam mit anderen Projekten dieser Art wie beispielsweise den WIMP-Detektoren LUX-Zeplin in den USA und PandaX-xT in China will man dies dann verifizieren. Es scheint also so, als würden ironischerweise plötzlich alle Projekte zur Suche nach Dunkler Materie nun auf die Jagd nach Dunkler Energie umschwenken. Die nahe Zukunft wird dann zeigen, ob die Messung im italienischen Untergrundlabor ein Messfehler war oder ob wir hier wirklich Dunkle Energie gefunden haben.

Noch mehr Informationen zum Mysterium der Dunklen Energie gibt es in diesem Video:

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