Warum Wissenschaftler glauben, dass die Physik zur Rechenschaft gezogen werden könnte

Wie hat Physiker arbeiten bei der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist eine der häufigsten Fragen, die mir gestellt werden: „Wann werden Sie etwas finden?“ Der Versuchung widerstehend, sarkastisch zu antworten: „Abgesehen von der Higgs-Boson, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, und eine ganze Reihe neuer Kompositpartikel?“ Mir ist klar, dass der Grund, warum die Frage so oft gestellt wird, darin liegt, wie wir den Fortschritt in der Teilchenphysik der ganzen Welt dargestellt haben.

Wir sprechen oft von Fortschritt in Bezug auf die Entdeckung neuer Teilchen, und das ist es auch oft. Das Studium eines neuen, sehr schweren Teilchens hilft uns, zugrunde liegende physikalische Prozesse zu sehen – oft ohne störende Hintergrundgeräusche. Das macht es einfach, der Öffentlichkeit und der Politik den Wert der Entdeckung zu erklären.

In jüngster Zeit drohten jedoch eine Reihe präziser Messungen bereits bekannter, holpriger Teilchen und Prozesse die Physik zu erschüttern. Und der LHC macht sich betriebsbereit bei höherer Energie und Intensität denn je zuvor ist es an der Zeit, die Auswirkungen umfassend zu diskutieren.

In Wahrheit ist die Teilchenphysik immer auf zwei Arten vorgegangen, von denen neue Teilchen eine sind. Die andere besteht darin, sehr genaue Messungen durchzuführen, die die Vorhersagen von Theorien testen und nach Abweichungen von dem suchen, was erwartet wird.

Der frühe Beweis für Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheoriekam zum Beispiel von der Entdeckung kleiner Abweichungen in den scheinbaren Positionen von Sternen und von der Bewegung des Merkur auf seiner Umlaufbahn.

Drei zentrale Erkenntnisse

Teilchen gehorchen einer kontraintuitiven, aber äußerst erfolgreichen Theorie namens Quantenmechanik. Diese Theorie zeigt, dass Teilchen, die viel zu massiv sind, um direkt in einer Laborkollision hergestellt zu werden, immer noch beeinflussen können, was andere Teilchen tun (durch etwas, das als „Quantenfluktuationen“ bezeichnet wird). Die Messung solcher Effekte ist jedoch sehr komplex und der Öffentlichkeit viel schwerer zu erklären.

Aber neuere Ergebnisse, die auf unerklärliche neue Physik jenseits des Standardmodells hindeuten, gehören zu diesem zweiten Typ. Ausführlich Studien aus dem LHCb-Experiment fanden heraus, dass ein Teilchen, das als Schönheitsquark bekannt ist (Quarks bilden die Protonen und Neutronen im Atomkern), viel häufiger in ein Elektron „zerfällt“ (zerfällt) als in ein Myon – das schwerere, aber ansonsten identische Geschwister des Elektrons . Nach dem Standardmodell sollte dies nicht passieren, was darauf hindeutet, dass neue Teilchen oder sogar Naturgewalten den Prozess beeinflussen könnten.

LHCb-Experiment.CERN

Interessanterweise zeigen jedoch Messungen ähnlicher Prozesse mit „Top-Quarks“ aus dem ATLAS-Experiment am LHC diesen Zerfall geschieht zu gleichen Teilen für Elektronen und Myonen.

Inzwischen ist die Myon g-2 Experiment am Fermilab in den USA hat kürzlich gemacht sehr genaue Studien wie Myonen „wackeln“, wenn ihr „Spin“ (eine Quanteneigenschaft) mit umgebenden Magnetfeldern interagiert. Es fand eine kleine, aber signifikante Abweichung von einigen theoretischen Vorhersagen – was wiederum darauf hindeutet, dass unbekannte Kräfte oder Teilchen am Werk sein könnten.

Tee neustes überraschendes Ergebnis ist ein Maß für die Masse eines Elementarteilchens, das als W-Boson, das die schwache Kernkraft trägt, die den radioaktiven Zerfall regelt. Nach vielen Jahren der Datenerfassung und -analyse deutet das Experiment, ebenfalls bei Fermilab, darauf hin, dass es deutlich schwerer ist als die Theorie vorhersagt – es weicht um einen Betrag ab, der in mehr als einer Million Experimenten nicht zufällig auftreten würde. Auch hier kann es sein, dass noch unentdeckte Partikel zu seiner Masse beitragen.

Interessanterweise widerspricht dies jedoch auch einigen weniger präzisen Messungen des LHC (dargestellt in diese Studie und Dieses hier).

Das Urteil – Obwohl wir nicht absolut sicher sind, dass diese Effekte einer neuen Erklärung bedürfen, scheinen die Beweise zuzunehmen, dass eine neue Physik benötigt wird.

Natürlich werden fast so viele neue Mechanismen vorgeschlagen, um diese Beobachtungen zu erklären, wie es Theoretiker gibt. Viele werden nach verschiedenen Formen von „Supersymmetrie“. Das ist die Idee, dass es im Standardmodell doppelt so viele Elementarteilchen gibt, wie wir dachten, wobei jedes Teilchen einen „Superpartner“ hat. Diese können zusätzliche Higgs-Bosonen beinhalten (verbunden mit dem Feld, das fundamentalen Teilchen ihre Masse verleiht).

Andere gehen darüber hinaus und berufen sich auf weniger modische Ideen wie „Technicolor“, was implizieren würde, dass es zusätzliche Naturkräfte gibt (zusätzlich zur Schwerkraft, zum Elektromagnetismus und zu den schwachen und starken Kernkräften) und bedeuten könnte, dass das Higgs-Boson tatsächlich ein zusammengesetztes Objekt aus anderen Teilchen ist. Nur Experimente werden die Wahrheit der Sache enthüllen – was eine gute Nachricht für Experimentatoren ist.

Die Versuchsteams hinter den neuen Erkenntnissen sind alle hoch angesehen und haben lange an den Problemen gearbeitet. Allerdings ist es ihnen gegenüber nicht respektlos festzustellen, dass diese Messungen äußerst schwierig durchzuführen sind. Außerdem erfordern Vorhersagen des Standardmodells in der Regel Berechnungen, bei denen Näherungen vorgenommen werden müssen. Dies bedeutet, dass verschiedene Theoretiker leicht unterschiedliche Massen und Zerfallsraten vorhersagen können, abhängig von den Annahmen und dem getroffenen Näherungsgrad. Es kann also sein, dass bei genaueren Berechnungen einige der neuen Erkenntnisse zum Standardmodell passen.

Ebenso kann es sein, dass die Forscher subtil unterschiedliche Interpretationen verwenden und so zu widersprüchlichen Ergebnissen kommen. Der Vergleich zweier experimenteller Ergebnisse erfordert eine sorgfältige Überprüfung, ob in beiden Fällen der gleiche Näherungsgrad verwendet wurde.

Dies sind beide Beispiele für Quellen „systematischer Unsicherheit“, und obwohl alle Beteiligten ihr Bestes tun, um sie zu quantifizieren, kann es zu unvorhergesehenen Komplikationen kommen, die sie unter- oder überschätzen.

Nichts davon macht die aktuellen Ergebnisse weniger interessant oder wichtig. Was die Ergebnisse zeigen, ist, dass es mehrere Wege zu einem tieferen Verständnis der neuen Physik gibt, die alle erforscht werden müssen.

Mit dem Neustart des LHC gibt es immer noch Aussichten auf neue Teilchen, die durch seltenere Prozesse hergestellt oder versteckt unter Hintergründen gefunden werden, die wir noch ausgraben müssen.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Die Unterhaltung und wurde von Roger Jones von der Lancaster University geschrieben. Lesen Sie den Originalartikel hier.

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