Teilchenphysik

Masse eines Elementarteilchens so präzise bestimmt wie nie zuvor

stsc, sda

7.4.2022 - 20:00

Im Teilchenbeschleunigungslabor Fermilab konnte die Masse des W-Bosons so präzsie bestimmt werden wie nie zuvor.
Keystone

Am Fermilab bei Chicago haben Physiker die Masse eines wichtigen Elementarteilchens mit bisher unerreichter Präzision vermessen. Das W-Boson ist demnach deutlich schwerer als vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt.

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7.4.2022 - 20:00

Eine am Donnerstag im Fachmagazin «Science» veröffentlichte Studie weckt Zweifel am Standardmodell, der bis anhin zweifellos erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorie zur Beschreibung des Universums. Dem internationalen Konsortium «Collider Detector at Fermilab» (CDF) gelang es, die Masse des W-Bosons etwa zweimal genauer zu bestimmen als dies bei der bislang besten Messung der Fall war.

Das W-Boson ist eines der schwersten bekannten Teilchen im Universum, es besitzt etwa die 80-fache Masse eines Protons. Das Boten-Teilchen ist Vermittler der schwachen Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Grundkräfte der Physik, und somit ein Schlüsselbaustein des Standardmodells. Seine Existenz und detaillierte Eigenschaften wurden erstmals in den 1960er Jahren vorhergesagt, 1983 wurde es am Cern bei Genf entdeckt.

Daten von zehn Jahren analysiert

Das aus 400 Forschern bestehende CDF-Team analysierte Daten, die während zehn Jahren mit dem Teilchenbeschleuniger Tevatron am Fermilab aufgezeichnet und wiederum während zehn Jahren analysiert wurden. Demnach stimme die Präzisionsmessung der Masse des W-Bosons um sieben Standardabweichungen nicht mit dem Standardmodell überein.

«Eine solche Abweichung liegt jenseits der Entdeckungsmöglichkeiten in der Welt der Teilchenphysik», sagte Ben Kilminster im Gespräch mit der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Er ist Professor für experimentelle Teilchenphysik an der Universität Zürich und Mitglied des CDF-Konsortiums.

In der Teilchenphysik besteht die Konvention, bei Effekten ab drei Standardabweichungen von einem «Hinweis» zu sprechen, ab fünf Standardabweichungen von einer «Entdeckung». So deuten die Ergebnisse laut Kilminster stark auf die Möglichkeit hin, dass es bisher noch unentdeckte Teilchen oder Kräfte gebe.

Zusätzliche Experimente erforderlich

Mit «Ein Rüttler am Standardmodell» betiteln denn auch Claudio Campagnari von der US-Universität Kalifornien, Santa Barbara und Martijn Mulders vom Cern einen Begleitartikel zur Studie. Die Forscher betonen allerdings, dass «aussergewöhnliche Behauptungen aussergewöhnliche Beweise erfordern».

Deshalb brauche es zusätzliche Experimente, um die vorliegenden Ergebnisse unabhängig zu bestätigen – oder zu verwerfen. Sie weisen darauf hin, dass Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) am Cern bereits grössere Datenmengen gesammelt hätten zu W-Bosonen. Damit könne im Prinzip noch eine bessere Präzision erreicht werden.

Auch Ben Kilminster möchte nicht mit letzter Überzeugung von einer Entdeckung sprechen: «Vergleichbare Messresultate von anderen Experimenten würde das Vertrauen in unsere Messungen stärken.»

Zudem seien nun die theoretischen Physiker gefragt, um die Berechnungen beruhend auf dem Standardmodell eingehend zu prüfen. «Das ultimative Vertrauen wird uns aber erst die Entdeckung neuer Teilchen oder Kräfte schenken, die aufgrund ihrer Wechselwirkungen die bislang herrschende Diskrepanz zwischen Messung und Berechnung erklären könnten», so der Physiker.

Gewisse Rätsel der Physik lassen sich mit dem Standardmodell bislang nicht knacken. Beispielsweise gibt es keine Antwort darauf, worauf das offenkundige Ungleichgewicht zwischen Materie und Anti-Materie im Universum beruht. Auch hat sie keine Erklärung für die dunkle Materie. Auf der Suche nach einer Theorie, die das Universum ohne Widersprüche abbildet, rücken Forschende in immer präzisere Messbereiche vor.

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