{"id":13774,"date":"2021-05-10T13:30:43","date_gmt":"2021-05-10T12:30:43","guid":{"rendered":"https:\/\/www.unifr.ch\/alma-georges?p=13774"},"modified":"2021-05-12T12:11:31","modified_gmt":"2021-05-12T11:11:31","slug":"ist-neue-physik-in-sicht","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.unifr.ch\/alma-georges\/articles\/2021\/ist-neue-physik-in-sicht","title":{"rendered":"Ist neue Physik in Sicht?"},"content":{"rendered":"

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 Z\u00fcrcher Zeitung warfen die Frage auf, ob das Standardmodell der Teilchenphysik kalte F\u00fcsse bekomme oder gar ganz am Ende sei. Klar scheint \u2013 auch ohne Schlagzeilen \u2013 dass hier vielleicht etwas Neues, vielleicht gar Sensationelles lauern k\u00f6nnte. Eine Analyse von Hans Peter Beck, Titularprofessor an der Universit\u00e4t Freiburg und Forschender am Albert Einstein Center for Fundamental Physics der Universit\u00e4t Bern und am CERN.<\/strong><\/p>\n

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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 sorgf\u00e4ltig analysiert. Dabei wurden alle erdenklichen systematischen Effekte der Messapparatur, die eine Auswirkung auf die Messresultate haben k\u00f6nnen, in gr\u00f6sstm\u00f6glicher 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 \u00fcbereinstimmen. In der Tat sind es oft winzige Effekte, bei denen ein hochpr\u00e4zises theoretisches Verst\u00e4ndnis und hochpr\u00e4zise experimentelle Daten in Diskrepanz zueinander geraten, genau die Effekte, mit denen bahnbrechende Entdeckungen gemacht werden k\u00f6nnen. Deshalb, zurecht, die Aufregung in Fachzeitschriften und Tagesmedien.<\/p>\n

Winzige Diskrepanzen f\u00fchren zu grossen Fragen
\n<\/strong>Das LHCb-Ergebnis stellt die Lepton-Universalit\u00e4t zwischen Elektronen und Myonen infrage. Bei B<\/em>-Mesonen wird dabei die Zerfallsrate \"\"\u00a0mit der von \"\" Zerf\u00e4llen verglichen und diese weichen tats\u00e4chlich 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, erh\u00e4lt man das am besten getestete Resultat der Grundlagenphysik \u00fcberhaupt, bei dem die Theorieberechnungen mit dem experimentell gemessenen Wert auf mehr als zehn signifikante Stellen \u00fcbereinstimmen. Dieses grundlegende, tiefe Verst\u00e4ndnis basiert auf dem Standardmodell der Teilchenphysik, welches die Quantenelektrodynamik mit beinhaltet. Dass ein so pr\u00e4zises Verst\u00e4ndnis \u00fcberhaupt m\u00f6glich ist, ist an sich schon erstaunlich, aber offenbar dann nicht, wenn Myonen anstelle von Elektronen vermessen werden.<\/p>\n

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 \u00fcberhaupt messen zu k\u00f6nnen. Beide Diskrepanzen werden zudem zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht als Beobachtungen einer Diskrepanz deklariert. Statistische Fluktuationen oder ein vergessener systematischer Effekt k\u00f6nnten diese vorl\u00e4ufigen Ergebnisse wieder umwerfen. Weitere Mess-Serien und deren detaillierten Analysen sind notwendig und werden erst in ein paar Jahren zu einer endg\u00fcltigen Aussage f\u00fchren.<\/p>\n

Dennoch, wenn beide Ergebnisse best\u00e4tigt werden k\u00f6nnten, m\u00fcssten entweder neue Teilchen zu den bekannten Quarks, Leptonen und Bosonen hinzugef\u00fcgt werden \u2013 wobei Leptoquarks oder supersymmetrische Teilchen zu den vielversprechendsten Kandidaten geh\u00f6ren \u00fcber die spekuliert wird\u2013 oder das Standardmodell der Teilchenphysik muss m\u00f6glicherweise auf einer grundlegenderen Ebene \u00fcberarbeitet werden, was zu einem Paradigmenwechsel in unserem Verst\u00e4ndnis dessen f\u00fchren k\u00f6nnte, was Teilchen sind und wie sie wechselwirken. Aber dies ist zum heutigen Zeitpunkt reine Spekulation.<\/p>\n

Parallelen in der Vergangenheit?
\n<\/strong>Wechselt man von der Teilchenphysik zur Gravitationsphysik und begibt sich zur\u00fcck 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 Verst\u00e4ndnis der Gravitation grundlegend neu zu \u00fcberdenken.<\/p>\n

Im 18. und 19. Jahrhundert wurde mit grosser Sorgfalt und \u00fcber viele Jahrzehnte hinweg das Perihel des Merkurs gemessen und dabei wurde eine j\u00e4hrliche Verschiebung festgestellt, die so nicht erkl\u00e4rbar war. Eine Diskrepanz von gerade mal 43 Bogensekunden pro Jahrhundert zwischen der Messung und der theoretischen Vorhersage, die auf Basis der Newton\u2019schen Gravitation und unter Ber\u00fccksichtigung der Anziehungskraft der Sonne und der bekannten Planeten berechnet wurde, erzeugte Verwirrung.<\/p>\n

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\u2018A plan or map of the solar system projected for schools & academies by Hall Colby, Rochester NY, 1846\u2019 Aus der Library of Congress: https:\/\/www.loc.gov\/resource\/g3180.ct003790 F\u00fcr die Menschen im 19. Jahrhundert war Vulkan real. Er hatte theoretische Glaubw\u00fcrdigkeit und es wurden auch Beobachtungen von ihm proklamiert, die aber nie best\u00e4tigt werden konnten. Neptun fehlt hier, da diese Karte vor seiner Entdeckung entstand. An die Existenz von Vulkan wurde jedoch fest geglaubt.<\/p><\/div>\n

<\/div>\nHypothetische Planeten
\n<\/strong>Um dieser winzigen Diskrepanz Abhilfe zu schaffen, wurde vorgeschlagen einen neuen Planeten im Sonnensystem hinzuzuf\u00fcgen. 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 w\u00e4re, 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 hinzugef\u00fcgt wurde. Planet Neptun wurde Mitte 1846 aufgrund von St\u00f6rungen 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.<\/p>\n

Einstein sei Dank
\n<\/strong>Es dauerte fast 70 Jahre bis dieses R\u00e4tsel gel\u00f6st werden konnte, als Einstein 1916 seine allgemeine Relativit\u00e4tstheorie vorstellte. Das Verst\u00e4ndnis zur Gravitation entwickelte sich dabei in einem Paradigmenwechsel drastisch. Konzeptionelle M\u00e4ngel 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 mysteri\u00f6se, fernwirkende Kraft, sondern sie entsteht aus Eigenschaften der Raumzeit selbst. Deren Eigenschaft sich zu kr\u00fcmmen f\u00fchrt 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\u2019sche Gravitation f\u00fcr fast alle Berechnungen im Alltag verwendet. Wir tun dies in vollem Vertrauen, weil wir im Rahmen der allgemeinen Relativit\u00e4tstheorie wissen, warum die Newton\u2019sche Gravitation so gut funktioniert und auch bis zu welchen extremen Bedingungen sie immer noch brauchbare Ergebnisse liefert. Die Newton\u2019sche Gravitation ist so gesehen vollst\u00e4ndig verstanden, weil wir nun auch ihre Grenzen genau kennen.<\/p>\n

Wiederholt sich die Geschichte?
\n<\/strong>Wir wissen heute noch nicht, was die neuen Resultate der LHCb-Kollaboration und der Myon g-2-Kollaboration uns sagen und wohin uns diese f\u00fchren werden. Vielleicht werden die hypothetischen Leptoquarks das gleiche Schicksal haben wie der hypothetische Planet Vulkan, der nicht mehr gebraucht wurde, nachdem ein tieferes Verst\u00e4ndnis 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 k\u00f6nnten diejenigen sein, die den Weg daf\u00fcr bereiten.<\/p>\n

Epilog
\n<\/strong>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, w\u00e4hrend 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 Verst\u00e4ndnis der Gravitation erlangte, die allgemeine Relativit\u00e4tstheorie. Die Dunkle Materie, die uns heute R\u00e4tsel aufgibt, kann mit neuen postulierten Teilchen erkl\u00e4rt werden, oder sie kann auch verschwinden, so wie es Vulkan erging, falls ein tiefergreifendes Verst\u00e4ndnis der Gravitation und\/oder der Teilchenphysik diese postulierten Teilchen als unn\u00f6tig 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.<\/p>\n

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