Physiker haben „verblüffende“ Ergebnisse angekündigt, die möglicherweise nicht mit den aktuellen Naturgesetzen erklärt werden können.
Die LHCb-Kollaboration am CERN hat festgestellt, dass sich Teilchen nicht so verhalten, wie sie sich gemäß der leitenden Theorie der Teilchenphysik – dem Standardmodell – verhalten sollten.
Das Modell sagt voraus, dass Teilchen, sogenannte Bottom-Quarks, die im LHCb-Experiment gemessen werden, gleichermaßen in Myonen oder Elektronen zerfallen sollten. Die neuen Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist, was auf die Existenz neuer Partikel oder Wechselwirkungen hindeuten könnte, die durch das Standardmodell nicht erklärt werden.
„Wir haben tatsächlich gezittert, als wir uns das erste Mal die Ergebnisse angesehen haben, so aufgeregt waren wir. Unsere Herzen schlugen etwas schneller", sagte Dr. Mitesh Patel vom Department of Physics am Imperial College London und einer der führenden Physiker hinter der Messung.
„Es ist noch zu früh zu sagen, ob dies wirklich eine Abweichung vom Standardmodell ist, aber die potenziellen Auswirkungen sind so groß, dass diese Ergebnisse das Aufregendste sind, was ich in 20 Jahren auf diesem Gebiet gemacht habe. Es war ein langer Weg, hierher zu gelangen.“
Das Standardmodell beschreibt alle bekannten Elementarteilchen, aus denen unser Universum besteht, und die Kräfte, mit denen sie interagieren. Es kann jedoch einige der tiefsten Geheimnisse der modernen Physik nicht erklären, einschließlich der Zusammensetzung der Dunklen Materie und des Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum.
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Um einige dieser Rätsel zu lösen, haben Forscher nach Partikeln gesucht, die sich anders verhalten als im Standardmodell erwartet.
Die Ergebnisse wurden vom LHCb-Experiment produziert, einem von vier riesigen Teilchendetektoren am Large Hadron Collider (LHC) des CERN.
Der LHC ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt:Er beschleunigt subatomare Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, bevor er sie ineinander schleudert. Diese Kollisionen erzeugen eine Explosion neuer Teilchen, die Physiker aufzeichnen und untersuchen, um die Grundbausteine der Natur besser zu verstehen.
Forscher sagen, dass die aktualisierte Messung die Naturgesetze in Frage stellt, die Elektronen und ihre schwereren Cousins, Myonen, identisch behandeln, abgesehen von kleinen Unterschieden aufgrund ihrer unterschiedlichen Massen.
Gemäß dem Standardmodell interagieren Myonen und Elektronen mit allen Kräften auf die gleiche Weise, daher sollten am LHCb erzeugte Bottom-Quarks genauso oft in Myonen zerfallen wie in Elektronen.
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Diese neuen Messungen deuten jedoch darauf hin, dass die Zerfälle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten stattfinden könnten, was darauf hindeuten könnte, dass nie zuvor gesehene Teilchen die Waage von Myonen wegkippen.
Der Goldstandard für Entdeckungen in der Teilchenphysik sind fünf Standardabweichungen – was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis ein Zufall ist, bei 1 zu 3,5 Millionen liegt. Dieses Ergebnis sind drei Abweichungen – was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Messung ein statistischer Zufall ist, immer noch 1 zu 1.000 beträgt. Es ist daher noch zu früh, um endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen, sagen die Forscher.
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Physiker des Imperial College London und der Universitäten Bristol und Cambridge führten die Analyse der Daten durch, um dieses Ergebnis zu erzielen, mit finanzieller Unterstützung des Science and Technology Facilities Council.
Das Ergebnis wurde auf der Moriond Electroweak Physics Konferenz bekannt gegeben und als Preprint veröffentlicht.
Was ist das Standardmodell?
Das sind die Elementarteilchen, die zusammen das Standardmodell der Teilchenphysik bilden. Alle Atome im Universum werden nur aus den Elektronen und den „Up“- und „Down“-Quarks aufgebaut. Diese interagieren miteinander und halten mit Hilfe von Gluonen und Photonen zusammen.
Gluonen übertragen die sogenannte „starke Kraft“, die Quarks zu Protonen und Neutronen, den Bausteinen der Atomkerne, zusammenhält. Photonen übertragen die elektromagnetische Kraft, die zwischen elektrisch geladenen Teilchen wie Elektronen wirkt.
Die anderen Partikel in der Tabelle sind ebenfalls wichtig, aber aus weniger offensichtlichen Gründen. Beispielsweise strömen pro Sekunde rund 60 Milliarden Elektron-Neutrinos durch jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers. Diese Neutrinos entstehen im Inneren der Sonne als Nebenprodukt des Prozesses, der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. Die „schwache Kraft“ ist für diesen Prozess der Kernfusion verantwortlich und wird von den W- und Z-Teilchen übertragen.
Die Teilchen in der zweiten und dritten Spalte des Standardmodells sind wie schwerere Kopien von denen in der ersten Spalte. Die Existenz dieser schwereren Teilchen war entscheidend für das Verhalten des Universums kurz nach dem Urknall.