Ist neue Physik in Sicht?

Ist neue Physik in Sicht?

Neue Resultate der LHCb-Kollaboration am CERN und der Myon g-2-Kollaboration am Fermilab machten in den letzten Wochen weltweit Schlagzeilen. Die New York Times, die Frankfurter Allgemeine, die Neue Zürcher Zeitung warfen die Frage auf, ob das Standardmodell der Teilchenphysik kalte Füsse bekomme oder gar ganz am Ende sei. Klar scheint – auch ohne Schlagzeilen – dass hier vielleicht etwas Neues, vielleicht gar Sensationelles lauern könnte. Eine Analyse von Hans Peter Beck, Titularprofessor an der Universität Freiburg und Forschender am Albert Einstein Center for Fundamental Physics der Universität Bern und am CERN.

Die experimentellen Daten, die noch vor der Pandemie am Large Hadron Collider am CERN mit dem LHCb-Detektor und auch am Myonenspeicherring am Fermilab von der Myon g-2-Kollaboration gemessen worden waren, wurden sorgfältig analysiert. Dabei wurden alle erdenklichen systematischen Effekte der Messapparatur, die eine Auswirkung auf die Messresultate haben können, in grösstmöglicher Detailtiefe untersucht und mit einbezogen. Es hat sich herausgestellt, dass die so gewonnenen Resultate zwar gut, aber doch nicht ganz perfekt mit den erwarteten Werten übereinstimmen. In der Tat sind es oft winzige Effekte, bei denen ein hochpräzises theoretisches Verständnis und hochpräzise experimentelle Daten in Diskrepanz zueinander geraten, genau die Effekte, mit denen bahnbrechende Entdeckungen gemacht werden können. Deshalb, zurecht, die Aufregung in Fachzeitschriften und Tagesmedien.

Winzige Diskrepanzen führen zu grossen Fragen
Das LHCb-Ergebnis stellt die Lepton-Universalität zwischen Elektronen und Myonen infrage. Bei B-Mesonen wird dabei die Zerfallsrate  mit der von Zerfällen verglichen und diese weichen tatsächlich mit einer Signifikanz von 3.1-Sigma voneinander ab. Auch das Ergebnis der Myon g-2-Kollaboration kratzt daran. Bei der Messung des anomalen magnetischen Moments, g-2, des Myons wird eine Diskrepanz mit einer Signifikanz von 4.2-Sigma von seinem theoretisch vorhergesagten Wert gemessen. Misst man dagegen das anomale magnetische Moment von Elektronen und vergleicht dieses mit seinem theoretischen vorhergesagten Wert, erhält man das am besten getestete Resultat der Grundlagenphysik überhaupt, bei dem die Theorieberechnungen mit dem experimentell gemessenen Wert auf mehr als zehn signifikante Stellen übereinstimmen. Dieses grundlegende, tiefe Verständnis basiert auf dem Standardmodell der Teilchenphysik, welches die Quantenelektrodynamik mit beinhaltet. Dass ein so präzises Verständnis überhaupt möglich ist, ist an sich schon erstaunlich, aber offenbar dann nicht, wenn Myonen anstelle von Elektronen vermessen werden.

Beide Diskrepanzen deuten darauf hin, dass sich Myonen und Elektronen auf unerwartete Weise unterschiedlich verhalten. Beide Diskrepanzen sind zudem extrem winzig und es erfordert einen enormen Aufwand, diese überhaupt messen zu können. Beide Diskrepanzen werden zudem zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht als Beobachtungen einer Diskrepanz deklariert. Statistische Fluktuationen oder ein vergessener systematischer Effekt könnten diese vorläufigen Ergebnisse wieder umwerfen. Weitere Mess-Serien und deren detaillierten Analysen sind notwendig und werden erst in ein paar Jahren zu einer endgültigen Aussage führen.

Dennoch, wenn beide Ergebnisse bestätigt werden könnten, müssten entweder neue Teilchen zu den bekannten Quarks, Leptonen und Bosonen hinzugefügt werden – wobei Leptoquarks oder supersymmetrische Teilchen zu den vielversprechendsten Kandidaten gehören über die spekuliert wird– oder das Standardmodell der Teilchenphysik muss möglicherweise auf einer grundlegenderen Ebene überarbeitet werden, was zu einem Paradigmenwechsel in unserem Verständnis dessen führen könnte, was Teilchen sind und wie sie wechselwirken. Aber dies ist zum heutigen Zeitpunkt reine Spekulation.

Parallelen in der Vergangenheit?
Wechselt man von der Teilchenphysik zur Gravitationsphysik und begibt sich zurück in die Mitte des 19. Jahrhunderts, hat ein weiterer extrem winziger Effekt Geschichte geschrieben, der gut in den aktuellen Kontext passt. Auch damals wurde eine winzige, fast unbemerkbare Diskrepanz gemessen, die sich als relevant herausgestellt hatte und wegbereitend war, das damalige Verständnis der Gravitation grundlegend neu zu überdenken.

Im 18. und 19. Jahrhundert wurde mit grosser Sorgfalt und über viele Jahrzehnte hinweg das Perihel des Merkurs gemessen und dabei wurde eine jährliche Verschiebung festgestellt, die so nicht erklärbar war. Eine Diskrepanz von gerade mal 43 Bogensekunden pro Jahrhundert zwischen der Messung und der theoretischen Vorhersage, die auf Basis der Newton’schen Gravitation und unter Berücksichtigung der Anziehungskraft der Sonne und der bekannten Planeten berechnet wurde, erzeugte Verwirrung.

‘A plan or map of the solar system projected for schools & academies by Hall Colby, Rochester NY, 1846’ Aus der Library of Congress: https://www.loc.gov/resource/g3180.ct003790 Für die Menschen im 19. Jahrhundert war Vulkan real. Er hatte theoretische Glaubwürdigkeit und es wurden auch Beobachtungen von ihm proklamiert, die aber nie bestätigt werden konnten. Neptun fehlt hier, da diese Karte vor seiner Entdeckung entstand. An die Existenz von Vulkan wurde jedoch fest geglaubt.

Hypothetische Planeten
Um dieser winzigen Diskrepanz Abhilfe zu schaffen, wurde vorgeschlagen einen neuen Planeten im Sonnensystem hinzuzufügen. Dieser neue hypothetische Planet wurde Vulkan genannt, der eine Umlaufbahn innerhalb der Umlaufbahn des Merkurs hat und so nahe an der Sonne ist, dass kein optisches Instrument in der Lage wäre, ihn direkt zu sehen. Der Name Vulkan wird allen Fans von Raumschiff Enterprise (Star-Trek) und von Mr. Spock, dem prominentesten Vulkanier, bekannt vorkommen. Gene Roddenberry, der Autor der Originalserie von 1964, musste von Vulkan Bescheid gewusst haben und er entschied sich, diesen Planeten in seine Geschichte einzubauen. Vulkan war auch nicht der einzige hypothetische Planet, der dem Sonnensystem hinzugefügt wurde. Planet Neptun wurde Mitte 1846 aufgrund von Störungen in der Umlaufbahn des Uranus vermutet und in einer gezielten Suche am 23. September 1846 in einer Rekordzeit gefunden. Vulkan wiederum blieb schwer fassbar und konnte nicht gefunden werden. Dies war der Stand um 1850 und danach.

Einstein sei Dank
Es dauerte fast 70 Jahre bis dieses Rätsel gelöst werden konnte, als Einstein 1916 seine allgemeine Relativitätstheorie vorstellte. Das Verständnis zur Gravitation entwickelte sich dabei in einem Paradigmenwechsel drastisch. Konzeptionelle Mängel der sonst so erfolgreichen Newton’schen Beschreibung der Schwerkraft konnten beseitigt werden und die Periheldrehung des Merkurs wurde nun auch ohne den hypothetischen Planeten Vulkan exakt verstanden. Als Folge ist Gravitation nicht mehr eine mysteriöse, fernwirkende Kraft, sondern sie entsteht aus Eigenschaften der Raumzeit selbst. Deren Eigenschaft sich zu krümmen führt in eine rein geometrische Beschreibung der Gravitation, die auch nicht mehr instantan wirkt, sondern sich mit Lichtgeschwindigkeit mit der Raumzeit selbst ausbreitet. Dennoch wird auch heute noch die Newton’sche Gravitation für fast alle Berechnungen im Alltag verwendet. Wir tun dies in vollem Vertrauen, weil wir im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie wissen, warum die Newton’sche Gravitation so gut funktioniert und auch bis zu welchen extremen Bedingungen sie immer noch brauchbare Ergebnisse liefert. Die Newton’sche Gravitation ist so gesehen vollständig verstanden, weil wir nun auch ihre Grenzen genau kennen.

Wiederholt sich die Geschichte?
Wir wissen heute noch nicht, was die neuen Resultate der LHCb-Kollaboration und der Myon g-2-Kollaboration uns sagen und wohin uns diese führen werden. Vielleicht werden die hypothetischen Leptoquarks das gleiche Schicksal haben wie der hypothetische Planet Vulkan, der nicht mehr gebraucht wurde, nachdem ein tieferes Verständnis erlangt wurde. Damals dauerte es 70 Jahre und nur die Zukunft wird zeigen, wie lange es jetzt dauern wird. Was aber schon heute klar ist, ist, dass das Standardmodell der Teilchenphysik extrem gut funktioniert und auch weiterhin extrem gut funktionieren wird, aber wir wissen heute noch nicht, bis zu welchen Extrembedingungen dies weiterhin der Fall sein wird. Die aktuellen Resultate der LHCb und der Myon g-2-Kollaborationen könnten diejenigen sein, die den Weg dafür bereiten.

Epilog
Beide vorhergesagten Planeten, Vulkan und Neptun, manifestierten sich als Dunkle Materie. Beide waren optisch nicht sichtbar und beide wurden nur aus gravitativen Wechselwirkungen im Sonnensystem und wie diese damals verstanden wurde, deduziert. Neptun erwies sich als ein echtes Objekt, während Vulkan aus der Physik verschwand und heute nur noch eine Anekdote in der Geschichte der Wissenschaft ist. Vulkan verschwand als Einstein eine neue und tiefere Einsicht in das Verständnis der Gravitation erlangte, die allgemeine Relativitätstheorie. Die Dunkle Materie, die uns heute Rätsel aufgibt, kann mit neuen postulierten Teilchen erklärt werden, oder sie kann auch verschwinden, so wie es Vulkan erging, falls ein tiefergreifendes Verständnis der Gravitation und/oder der Teilchenphysik diese postulierten Teilchen als unnötig erweist. Es liegt harte Arbeit vor uns und neue Erkenntnisse werden sich daraus ergeben, aber nur wenn mit Nachdruck daran geforscht wird. Es gibt noch viel zu tun.

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Hans Peter Beck ist Titularprofessor an der Universität Freiburg. Als Teilchenphysiker forscht er am Albert Einstein Center for Fundamental Physics der Universität Bern und am CERN und ist Präsident der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft. Seine Forschung befasst sich mit exotischen Higgs Zerfällen mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider.

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