Neue Erkenntnisse stellen Standardmodell der Physik infrage Datenauswertungen am Chicagoer Fermila
Neue Erkenntnisse stellen Standardmodell der Physik infrage
Datenauswertungen am Chicagoer Fermilab zeigen eine Abweichung beim Drehmoment des Myons, eines Elementarteilchens. Das könnte unser Verständnis von Physik verändern.
Vorläufige Ergebnisse von Teilchenexperimenten in den USA und Europa haben Bewegungen des Teilchens Myon festgestellt, welche Auswirkungen auf grundlegende Erkenntnisse der Physik haben könnten. Beim Muon-g-2-Versuch im Fermilab bei Chicago sei eine mögliche Abweichung vom sogenannten Standardmodell registriert worden, einem Regelwerk, das Erkenntnisse der Teilchenphysik bündelt, teilte das Fermilab des US-Energieministeriums mit. Diese gleichen den Ergebnissen aus dem Large Hadron Collider (LHC), dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf.
In den Daten aus Chicago weicht das magnetische Drehmoment - der sogenannte Landé-Faktor oder g-Faktor - der Myonen 0,1 Prozent von den Regeln des Standardmodells ab. Die Messung bestätigt ein im Jahr 2001 durchgeführtes Experiment am Brookhaven National Laboratory.
Laut dem Standardmodell hat der g-Faktor der Myonen einen Wert von fast exakt 2. Schon das Experiment am Brookhaven National Laboratory hat jedoch eine Abweichung in der achten Nachkommastelle ergeben - und zwar bei einem extrem kleinen statistischen Fehler von 1 zu 40.000, der mit dem aktuellen Messergebnis noch weiter verringert werden konnte. Auch wenn diese Korrektur nach wenig klingt, deutet sie doch darauf hin, dass das Standardmodell vermutlich korrigiert werden muss.
Myonen sind geladen wie Elektronen, weisen allerdings eine größere Masse als diese auf und sind auch nicht Bestandteile von Atomen. In der Natur entstehen sie bei Zerfallsprozessen, wenn kosmische Höhenstrahlung aus dem All auf die Erde trifft. Myonen sind instabil und bestehen in der Regel nur für zwei Mikrosekunden. In einem Teilchenbeschleuniger können sie allerdings beobachtet werden.
Zeit 8.4.2021
Hat das Muon-(g-2)-Experiment neue Teilchenphysik entdeckt?
Jetzt ist das Ergebnis da: Offenbar tatsächlich eine Abweichung des magnetischen Moments des Myons, engl. muon, - vereinfacht gesagt: wie ein massereicher Cousin des Elektrons als winziger Magnet wirkt, und damit z.B. auch auf äußere Magnetfelder reagiert - von den Vorhersagen des Standardmodells. Oder aber vielleicht doch nicht. Ich muss zugeben: Ich bin da derzeit eher skeptisch. Zum Teil aus physikalischen Gründen, zum Teil aus historischen.
Als ich noch Schüler war, fand ich sowohl Astronomie als auch Teilchenphysik äußerst spannend. In Hamburg, wo ich damals lebte, befand sich auch das DESY, dessen Forschungsschwerpunkt damals noch bei der Elementarteilchenphysik lag. Aus dem populärwissenschaftlichen Buch “Die Welt der kleinsten Teilchen” von Oskar Höfling und Pedro Waloschek lernte ich als unbedarfter Mittelstufenschüler erstmals etwas über die Suche nach den immer kleineren Konstituenten der Materie.
Allerdings ist meine Liebe zu den kleinsten Teilchen, das muss ich zugeben, seither leider merklich abgeklungen. Ich habe mich dann im Studium noch mit der theoretischen Grundlage der Teilchenphysik, der Quantenfeldtheorie, auseinandergesetzt, und fand das anfangs auch sehr spannend, aber letztlich sprang der Funke nicht dauerhaft über. Für mich lief das auf durchaus komplexe Rechnungen hinaus, deren konzeptionelle Grundlage ich aber nicht recht verstand, und, so mein Eindruck, so ganz klar war die konzeptionelle Grundlage da auch letztlich gar nicht. Was erst einmal kein Manko sein muss; auch in der Quantentheorie selbst hat sich “shut up and calculate”, also in etwa “Mund halten und losrechnen” als durchaus erfolgreiche heuristische Strategie bewährt. Ich fand das im Falle der Teilchenphysik für meinen eigenen Anspruch, wie ich Dinge verstehen wollte, einen eher unbefriedigenden Zustand.
Hinzu kam, dass die Zeit der einfachen Entdeckungen auf dem Gebiet der Teilchenphysik in den 1990er Jahren bereits vorbei zu sein schien. In den 1970er Jahren hatte es ja offenbar jedes Jahr mindestens eine neue Entdeckung gegeben, ob auf theoretischer Seite oder an den Teilchenbeschleunigern: Schwache Wechselwirkungen ohne Ladungsaustausch. Starke Wechselwirkungen mit Gluonen als Wechselwirkungsteilchen. Und einer ungewöhnlichen Abstandsabhängigkeit (asymptotische Freiheit). Das J/psi-Teilchen, das seinen Doppelnamen dem Umstand verdankt, dass es gleich von zwei konkurrierenden Gruppen entdeckt wurde. Das Tauon. Das Bottom-Quark. Ein erster vergleichsweise direkter Nachweis der Gluon-Spuren.
Danach, ab den 1980er Jahren waren die Neuentdeckungen in der Teilchenphysik vor allem Bestätigungen, nämlich die Nachweise von Materieteilchen oder Wechselwirkungen, die Teil des sogenannten Standardmodells der Elementarteilchen waren, das die Physiker bis zu jenem Zeitpunkt aufgestellt hatten, um die bis dahin gemachten Messungen erklären zu können.
Erster Nachweis der W- und Z-Bosonen als Austauschteilchen der schwachen Kraft am CERN 1983: Klar, für die Konsistenz wichtig, aber eben die Bestätigung einer Beschreibung jener schwachen Kraft, ohne die man bereits die vorherigen Messungen nicht rechnerisch hatte beschreiben können. Messungen 1989 zur Zahl der (leichten) Neutrinos, und damit indirekt zur Zahl der Materieteilchen des Standardmodells insgesamt: Im wesentlichen die Bestätigung, dass es jenseits des Standardmodells, das seine Teilchen in ein Schema mit drei sogenannten “Generationen” ordnet, nicht so einfach eine vierte Generation geben kann.
1995, das war direkt während meines Physikstudiums, dann der Nachweis des Top-Quarks, samt Massenmessung, an den Experimenten D0 und CDF des Fermilab. Zu dem Zeitpunkt war klar: Dieses Quark musste es geben, wenn das Materieteilchen-Schema des Standardmodells so ist, wie erwartet. Dass das Top-Quark offenbar eine gigantische Masse besaß, mehr als 180 Mal soviel wie ein Proton, war übrigens das letzte, deutlichste Beispiel auf eine grundlegende Schwäche jenes Standardmodells. Zu einer ganzen Reihe von Teilcheneigenschaften, nämlich zur elektrischen Ladung und deren teilchenphysikalischen Verwandten, trifft das Standardmodell mathematisch sehr elegante Aussagen; all jene Eigenschaften ordnen sich dort in ein großes Schema ein.
Zu den Massen? Keine grundlegenden Vorhersagen. Massen sind dort freie Parameter, und erst wenn man sie (direkt oder indirekt) gemessen hat, weiß man, welche Werte sie haben.
Als das CERN am 4. Juli 2012 bekanntgab, dass seine zwei Allround-Experimente ATLAS und CMS erstmals das letzte bis dahin noch nicht gemessene Teilchen des Standardmodells nachgewiesen hatten, nämlich das Higgs-Boson, war ich zufälligerweise gerade als Blogger auf dem Lindauer Nobelpreistreffen, wo dann nicht zufälligerweise eine ganze Reihe der Väter des Standardmodells herumliefen.
Die gaben dann natürlich auch gleich eine Pressekonferenz zum Thema, zusätzlich war für die Teilnehmer*innen des Treffens eine Diskussionsveranstaltung angesetzt. Die Stimmung war - gemischt. Einerseits war das natürlich eine beachtliche experimentelle Leistung, und der Higgs-Nachweis wäre ohne den Large Hadron Collider (LHC) am CERN als damals und immer noch größten Teilchenbeschleuniger auch nicht möglich gewesen. Aber andererseits war es zunächst einmal zumindest in jener Form wieder “nur” eine Bestätigung des Standardmodells.
Dabei war der LHC eigentlich genau die Art von Maschine, von der man sich Neues erhoffen konnte. Ein Teilchenbeschleuniger mit deutlich höherer Energie als alle vorangehenden Teilchenbeschleuniger - das war zumindest in früheren Fällen oft der Auftakt für unerwartete Entdeckungen gewesen. Die Experimente an einem solchen Beschleuniger sind so ausgelegt, dass sie auch unerwartete Teilchen nachweisen können. Solche Teilchen machen sich typischerweise als unerwartete Buckel in einer Häufigkeitsverteilung von Teilchenreaktionen bemerkbar. Die Menschen vom ATLAS-Experiment haben das in diesem animierten GIF für die Entdeckung des Higgs-Teilchens schön dargestellt - dargestellt ist, wie sich die Verteilungskurve (Ereignisse in jedem Energiebereich dieser spezifischen Teilchenreaktion) mit zunehmender Messdauer bis Dezember 2012 immer deutlicher zeigt. Der Unterschied der blauen Kurve (Hintergrundreaktionen) und der roten Kurve (Reaktionen inklusive der Nachweisreaktionen für das Higgs-Teilchen) ist gerade der besagte Buckel:
Auf gleiche Weise könnte man an solch einem Teilchenbeschleuniger auch gänzlich unerwartete neue Teilchen nachweisen. Die Hoffnungen dafür waren hoch. Da war zum Beispiel die sogenannte Supersymmetrie, mit deren Hilfe man eine Klasse von Erweiterungen des Standardmodells beschreiben konnte, die was eine Reihe grundlegender theoretischer Eigenschaften anging eleganter waren als das herkömmliche Standardmodell. Im wesentlichen verdoppelt die Supersymmetrie den Teilcheninhalt des Standardmodells dabei auf einen Schlag - den herkömmlichen Teilchen wird dabei jeweils ein “Superpartner” mit ganz bestimmten Eigenschaften zur Seite gestellt. Hätte man solche Superpartner am LHC gefunden, und damit Hinweise auf eine supersymmetrische Version des Standardmodells, die Theoretiker*innen wären ekstatisch gewesen.
Und ob nun als Teil eines supersymmetrischen Modells oder in anderer Weise: Ein neuentdecktes Teilchen, das die richtigen Eigenschaften gehabt hätte, die in der Astronomie indirekt nachgewiesene Dunkle Materie zu erklären, wäre natürlich auch eine Sensation gewesen.
Oder aber ein ganz anderes Teilchen - why not?
Tatsächlich aber scheint dieser Brute-Force-Neuentdeckungs-Ansatz mit dem LHC bislang nicht gelungen zu sein. Wenn in dem betreffenden Energiebereich keine neuen, unbekannten Teilchen sind, kann man sie nun einmal auch nicht finden.
Es gibt aber außer dem Brute-Force-Ansatz noch eine weitere Möglichkeit, neue Teilchen zu entdecken. Das hängt mit einer Besonderheit von Quantenfeldern zusammen: Bei komplexeren Teilchenreaktionen tragen in gewisser Weise alle Teilchen, die geeignete Eigenschaften aufweisen, zum Endergebnis bei - selbst wenn jene Teilchen gar nicht als Endprodukte der Reaktion auftauchen. Auch bei der Messung solcher Teilchenreaktionen kann man daher unerwartete neue Teilchen finden, dann nämlich, wenn das experimentell gemessene Ergebnis nur dadurch zu erklären ist, dass dort unbekannte Teilchen zur Reaktion beitragen.
Bereits um die Wechselwirkung eines Elementarteilchens mit Photonen, den Teilchen des elektromagnetischen Feldes, richtig beschreiben zu können, muss man solche komplexeren Teilchenreaktionen berücksichtigen. In den üblichen Einheiten ist das sogenannte magnetische Moment eines Elementarteilchens wie eines Elektrons oder seines schwereren Cousins, des Muons, dimensionslos und hat auf der einfachsten Beschreibungsebene (freie Teilchen, keine Wechselwirkungen) gerade den Wert 2. Nimmt man jene komplexeren Teilchenreaktionen hinzu, dann ergibt sich eine Abweichung des magnetischen Moments g vom Wert 2, sprich: g minus 2, g-2.
Strebt man eine entsprechende Genauigkeit an, dann sind die Rechnungen, die man durchführen muss um herauszubekommen, was das Standardmodell der Elementarteilchen denn nun für g-2 vorhersagt, nichts anderes als brutal. Selbst wenn man erst einmal nur elektromagnetische Wechselwirkungen mit einbezieht (Quantenelektrodynamik, QED) werden die Rechnungen rasch unübersichtlich. Für solche Rechnungen gibt es eine einfache graphische Notation, bei der die einzelnen Beiträge zu einer Reaktion mit Hilfe sogenannter Feynmandiagramme dargestellt werden, in denen Teilchen als Linien und Wechselwirkungen als Knotenpunkte repräsentiert werden. Hier ist ein immer noch recht einfaches Diagramm, für die Wechselwirkung von drei Photonen:
Das wird immer komplizierter, je genauer man rechnet: In der ersten Genauigkeitsstufe für g-2 muss man nur ein einziges Diagramm berechnen. In der zweiten Genauigkeitsstufe (“zwei Loops”) sind es dann schon 9 Diagramme, bei Stufe drei (“drei Loops”) bereits 72, bei Stufe vier dann 891 Diagramme. Teilchenphysik-Theorie als Fleißarbeit. Von diesen Termen lassen sich dann leider auch nur noch wenige direkt berechnen. Für die anderen muss man numerische Näherungsrechnungen anstellen.
Und das war bislang nur die Quantenelektrodynamik (QED), also die Quantentheorie elektromagnetischer Wechselwirkungen. Will man auch die Reaktionen, an denen Quarks und aus ihnen zusammengesetzte Gebilde (“Hadronen”) beteiligt sind, einbeziehen - und das muss man für die angestrebte Genauigkeit! - dann wird es noch um einiges komplizierter.
Denn selbst die heroische Rechnung mit 891 Diagrammen war noch ein Näherungsverfahren, das als Störungsrechnung bezeichnet wird, und das man bei vergleichsweise schwachen Wechselwirkungen anwenden kann. Dabei geht man näherungsweise davon aus, dass die betreffenden Teilchen zwischen gelegentlichen Interaktionen (eben den Knoten der Linien) frei umherfliegen. Bei Quarks und der starken Kernkraft, über die sie wechselwirken, reicht diese Art von Näherung für die g-2-Rechnungen nicht aus. Da muss man das, was da vorgeht, dann tatsächlich so simulieren, dass auch gebundene Zustände berücksichtigt werden können. Dafür gibt es Elementarteilchen-Simulationen, in denen die Raumzeit nicht als Kontinuum, sondern als diskretes Gitter simuliert wird - ähnlich so, wie ein Schachbrett die Ebene in ein regelmäßiges Muster endlich großer Felder zerlegt. Solche Gitter-Rechnungen können Abschätzungen für die nötigen Reaktions-Beiträge liefern, aber das ist alles andere als einfach.
Die Vorgeschichte und Details kann man vermutlich spätestens morgen in der Tagespresse nachlesen. Mir geht es hier nur um die Grundlagen. Da kann man jetzt zunächst einmal sagen: OK, den Standards der Teilchenphysik nach war das jetzt noch keine echte Entdeckung einer Abweichung vom Standardmodell. Dafür haben sich die Teilchenphysiker*innen ein statistisches Kriterium namens “5 sigma” gegeben, vereinfacht gesagt: Die Wahrscheinlichkeit, dass das, was da als neues Ergebnis präsentiert wird, stattdessen auf zufällige Fluktuationen zurückgeht, muss unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegen. Diese Grenze ist bei den jetzt vorgestellten Ergebnissen noch nicht ganz erreicht (stattdessen 4.2 sigma, wenn man vorangehende ältere Messungen dazunimmt).
Nun gut, kann man sagen. Erstens misst das Experiment ja noch ein paar Jahre lang weiter. Seien wir mal optimistisch und nehmen wir an, dass die 5-sigma-Grenze dann überschritten wird.
Aber ist das dann auch ein Hinweis auf neue Physik? Dem Augenschein nach erst einmal ja - so wie das Ergebnis jetzt präsentiert wird, ist es eine klare Abweichung von den Vorhersagen der Standardmodell-Rechnungen. Und eine naheliegende Erklärung dafür wäre tatsächlich: Es gibt noch mehr Teilchen als die des Standardmodells. Noch unbekannte Teilchen, die bei den komplexen Teilchenreaktionen eine Rolle spielen und damit das Ergebnis verändern. Das wäre natürlich sehr spannend, denn damit wäre die lange Durststrecke, auf der das Standardmodell immer wieder bestätigt wird, aber es keine Anzeichen darauf gibt, was jenseits des Standardmodells liegen könnte, im besten Falle vorbei.
Allerdings ist ausgerechnet heute ein Artikel in der Zeitschrift Nature erschienen (und die zeitliche Übereinstimmung ist soweit ich weiß zufällig), der zeigt, wo eine deutlich weniger aufregende Lösung liegen könnte. (Ich bin auf den Artikel in diesem populärwissenschaftlichen Artikel von Natalie Wolchover zum g-2-Ergebnis aufmerksam geworden.) Dort wird genau für die vertrackten Gitter-Rechnungen für g-2 ein etwas anderer Ansatz gewählt, und das Ergebnis verschiebt sich damit deutlich in Richtung der vermeintlich anomalen Messergebnisse. Um tatsächlich eine Abweichung von theoretischer Vorhersage und experimenteller Messung festzustellen, muss man nun aber beides hinreichend sicher kennen. Die neuen theoretischen Rechnungen lassen zumindest Skepsis aufkommen, ob das bei diesem speziellen Vergleich bereits der Fall ist.
Vielleicht ist das neue Ergebnis also letztlich auch wieder nur eine Bestätigung des Standardmodells - zumindest sobald die Standardmodell-Rechungen hinreichend genau ausgeführt wurden. Komplett subjektiv halte ich das nach den eher enttäuschenden Teilchenphysik-Entwicklungen der letzten Jahrzehnte für durchaus wahrscheinlich. Aber in einer Ecke meines Gehirns ist vermutlich trotzdem noch eine kleine fahnenschwenkende Teilchenphysik-Fan-Region, die hofft, dass es diesmal anders ist. Dass es ausnahmsweise einmal keine Bestätigung gibt, sondern einen Hinweis auf neue, spannende Physik. Und ganz ausgeschlossen ist das beim jetzigen Stand ja in der Tat nicht.
Spektrum 8.4.2021
Datenauswertungen am Chicagoer Fermilab zeigen eine Abweichung beim Drehmoment des Myons, eines Elementarteilchens. Das könnte unser Verständnis von Physik verändern.
Vorläufige Ergebnisse von Teilchenexperimenten in den USA und Europa haben Bewegungen des Teilchens Myon festgestellt, welche Auswirkungen auf grundlegende Erkenntnisse der Physik haben könnten. Beim Muon-g-2-Versuch im Fermilab bei Chicago sei eine mögliche Abweichung vom sogenannten Standardmodell registriert worden, einem Regelwerk, das Erkenntnisse der Teilchenphysik bündelt, teilte das Fermilab des US-Energieministeriums mit. Diese gleichen den Ergebnissen aus dem Large Hadron Collider (LHC), dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf.
In den Daten aus Chicago weicht das magnetische Drehmoment - der sogenannte Landé-Faktor oder g-Faktor - der Myonen 0,1 Prozent von den Regeln des Standardmodells ab. Die Messung bestätigt ein im Jahr 2001 durchgeführtes Experiment am Brookhaven National Laboratory.
Laut dem Standardmodell hat der g-Faktor der Myonen einen Wert von fast exakt 2. Schon das Experiment am Brookhaven National Laboratory hat jedoch eine Abweichung in der achten Nachkommastelle ergeben - und zwar bei einem extrem kleinen statistischen Fehler von 1 zu 40.000, der mit dem aktuellen Messergebnis noch weiter verringert werden konnte. Auch wenn diese Korrektur nach wenig klingt, deutet sie doch darauf hin, dass das Standardmodell vermutlich korrigiert werden muss.
Myonen sind geladen wie Elektronen, weisen allerdings eine größere Masse als diese auf und sind auch nicht Bestandteile von Atomen. In der Natur entstehen sie bei Zerfallsprozessen, wenn kosmische Höhenstrahlung aus dem All auf die Erde trifft. Myonen sind instabil und bestehen in der Regel nur für zwei Mikrosekunden. In einem Teilchenbeschleuniger können sie allerdings beobachtet werden.
Zeit 8.4.2021
Hat das Muon-(g-2)-Experiment neue Teilchenphysik entdeckt?
Jetzt ist das Ergebnis da: Offenbar tatsächlich eine Abweichung des magnetischen Moments des Myons, engl. muon, - vereinfacht gesagt: wie ein massereicher Cousin des Elektrons als winziger Magnet wirkt, und damit z.B. auch auf äußere Magnetfelder reagiert - von den Vorhersagen des Standardmodells. Oder aber vielleicht doch nicht. Ich muss zugeben: Ich bin da derzeit eher skeptisch. Zum Teil aus physikalischen Gründen, zum Teil aus historischen.
Als ich noch Schüler war, fand ich sowohl Astronomie als auch Teilchenphysik äußerst spannend. In Hamburg, wo ich damals lebte, befand sich auch das DESY, dessen Forschungsschwerpunkt damals noch bei der Elementarteilchenphysik lag. Aus dem populärwissenschaftlichen Buch “Die Welt der kleinsten Teilchen” von Oskar Höfling und Pedro Waloschek lernte ich als unbedarfter Mittelstufenschüler erstmals etwas über die Suche nach den immer kleineren Konstituenten der Materie.
Allerdings ist meine Liebe zu den kleinsten Teilchen, das muss ich zugeben, seither leider merklich abgeklungen. Ich habe mich dann im Studium noch mit der theoretischen Grundlage der Teilchenphysik, der Quantenfeldtheorie, auseinandergesetzt, und fand das anfangs auch sehr spannend, aber letztlich sprang der Funke nicht dauerhaft über. Für mich lief das auf durchaus komplexe Rechnungen hinaus, deren konzeptionelle Grundlage ich aber nicht recht verstand, und, so mein Eindruck, so ganz klar war die konzeptionelle Grundlage da auch letztlich gar nicht. Was erst einmal kein Manko sein muss; auch in der Quantentheorie selbst hat sich “shut up and calculate”, also in etwa “Mund halten und losrechnen” als durchaus erfolgreiche heuristische Strategie bewährt. Ich fand das im Falle der Teilchenphysik für meinen eigenen Anspruch, wie ich Dinge verstehen wollte, einen eher unbefriedigenden Zustand.
Hinzu kam, dass die Zeit der einfachen Entdeckungen auf dem Gebiet der Teilchenphysik in den 1990er Jahren bereits vorbei zu sein schien. In den 1970er Jahren hatte es ja offenbar jedes Jahr mindestens eine neue Entdeckung gegeben, ob auf theoretischer Seite oder an den Teilchenbeschleunigern: Schwache Wechselwirkungen ohne Ladungsaustausch. Starke Wechselwirkungen mit Gluonen als Wechselwirkungsteilchen. Und einer ungewöhnlichen Abstandsabhängigkeit (asymptotische Freiheit). Das J/psi-Teilchen, das seinen Doppelnamen dem Umstand verdankt, dass es gleich von zwei konkurrierenden Gruppen entdeckt wurde. Das Tauon. Das Bottom-Quark. Ein erster vergleichsweise direkter Nachweis der Gluon-Spuren.
Danach, ab den 1980er Jahren waren die Neuentdeckungen in der Teilchenphysik vor allem Bestätigungen, nämlich die Nachweise von Materieteilchen oder Wechselwirkungen, die Teil des sogenannten Standardmodells der Elementarteilchen waren, das die Physiker bis zu jenem Zeitpunkt aufgestellt hatten, um die bis dahin gemachten Messungen erklären zu können.
Erster Nachweis der W- und Z-Bosonen als Austauschteilchen der schwachen Kraft am CERN 1983: Klar, für die Konsistenz wichtig, aber eben die Bestätigung einer Beschreibung jener schwachen Kraft, ohne die man bereits die vorherigen Messungen nicht rechnerisch hatte beschreiben können. Messungen 1989 zur Zahl der (leichten) Neutrinos, und damit indirekt zur Zahl der Materieteilchen des Standardmodells insgesamt: Im wesentlichen die Bestätigung, dass es jenseits des Standardmodells, das seine Teilchen in ein Schema mit drei sogenannten “Generationen” ordnet, nicht so einfach eine vierte Generation geben kann.
1995, das war direkt während meines Physikstudiums, dann der Nachweis des Top-Quarks, samt Massenmessung, an den Experimenten D0 und CDF des Fermilab. Zu dem Zeitpunkt war klar: Dieses Quark musste es geben, wenn das Materieteilchen-Schema des Standardmodells so ist, wie erwartet. Dass das Top-Quark offenbar eine gigantische Masse besaß, mehr als 180 Mal soviel wie ein Proton, war übrigens das letzte, deutlichste Beispiel auf eine grundlegende Schwäche jenes Standardmodells. Zu einer ganzen Reihe von Teilcheneigenschaften, nämlich zur elektrischen Ladung und deren teilchenphysikalischen Verwandten, trifft das Standardmodell mathematisch sehr elegante Aussagen; all jene Eigenschaften ordnen sich dort in ein großes Schema ein.
Zu den Massen? Keine grundlegenden Vorhersagen. Massen sind dort freie Parameter, und erst wenn man sie (direkt oder indirekt) gemessen hat, weiß man, welche Werte sie haben.
Als das CERN am 4. Juli 2012 bekanntgab, dass seine zwei Allround-Experimente ATLAS und CMS erstmals das letzte bis dahin noch nicht gemessene Teilchen des Standardmodells nachgewiesen hatten, nämlich das Higgs-Boson, war ich zufälligerweise gerade als Blogger auf dem Lindauer Nobelpreistreffen, wo dann nicht zufälligerweise eine ganze Reihe der Väter des Standardmodells herumliefen.
Die gaben dann natürlich auch gleich eine Pressekonferenz zum Thema, zusätzlich war für die Teilnehmer*innen des Treffens eine Diskussionsveranstaltung angesetzt. Die Stimmung war - gemischt. Einerseits war das natürlich eine beachtliche experimentelle Leistung, und der Higgs-Nachweis wäre ohne den Large Hadron Collider (LHC) am CERN als damals und immer noch größten Teilchenbeschleuniger auch nicht möglich gewesen. Aber andererseits war es zunächst einmal zumindest in jener Form wieder “nur” eine Bestätigung des Standardmodells.
Dabei war der LHC eigentlich genau die Art von Maschine, von der man sich Neues erhoffen konnte. Ein Teilchenbeschleuniger mit deutlich höherer Energie als alle vorangehenden Teilchenbeschleuniger - das war zumindest in früheren Fällen oft der Auftakt für unerwartete Entdeckungen gewesen. Die Experimente an einem solchen Beschleuniger sind so ausgelegt, dass sie auch unerwartete Teilchen nachweisen können. Solche Teilchen machen sich typischerweise als unerwartete Buckel in einer Häufigkeitsverteilung von Teilchenreaktionen bemerkbar. Die Menschen vom ATLAS-Experiment haben das in diesem animierten GIF für die Entdeckung des Higgs-Teilchens schön dargestellt - dargestellt ist, wie sich die Verteilungskurve (Ereignisse in jedem Energiebereich dieser spezifischen Teilchenreaktion) mit zunehmender Messdauer bis Dezember 2012 immer deutlicher zeigt. Der Unterschied der blauen Kurve (Hintergrundreaktionen) und der roten Kurve (Reaktionen inklusive der Nachweisreaktionen für das Higgs-Teilchen) ist gerade der besagte Buckel:
Auf gleiche Weise könnte man an solch einem Teilchenbeschleuniger auch gänzlich unerwartete neue Teilchen nachweisen. Die Hoffnungen dafür waren hoch. Da war zum Beispiel die sogenannte Supersymmetrie, mit deren Hilfe man eine Klasse von Erweiterungen des Standardmodells beschreiben konnte, die was eine Reihe grundlegender theoretischer Eigenschaften anging eleganter waren als das herkömmliche Standardmodell. Im wesentlichen verdoppelt die Supersymmetrie den Teilcheninhalt des Standardmodells dabei auf einen Schlag - den herkömmlichen Teilchen wird dabei jeweils ein “Superpartner” mit ganz bestimmten Eigenschaften zur Seite gestellt. Hätte man solche Superpartner am LHC gefunden, und damit Hinweise auf eine supersymmetrische Version des Standardmodells, die Theoretiker*innen wären ekstatisch gewesen.
Und ob nun als Teil eines supersymmetrischen Modells oder in anderer Weise: Ein neuentdecktes Teilchen, das die richtigen Eigenschaften gehabt hätte, die in der Astronomie indirekt nachgewiesene Dunkle Materie zu erklären, wäre natürlich auch eine Sensation gewesen.
Oder aber ein ganz anderes Teilchen - why not?
Tatsächlich aber scheint dieser Brute-Force-Neuentdeckungs-Ansatz mit dem LHC bislang nicht gelungen zu sein. Wenn in dem betreffenden Energiebereich keine neuen, unbekannten Teilchen sind, kann man sie nun einmal auch nicht finden.
Es gibt aber außer dem Brute-Force-Ansatz noch eine weitere Möglichkeit, neue Teilchen zu entdecken. Das hängt mit einer Besonderheit von Quantenfeldern zusammen: Bei komplexeren Teilchenreaktionen tragen in gewisser Weise alle Teilchen, die geeignete Eigenschaften aufweisen, zum Endergebnis bei - selbst wenn jene Teilchen gar nicht als Endprodukte der Reaktion auftauchen. Auch bei der Messung solcher Teilchenreaktionen kann man daher unerwartete neue Teilchen finden, dann nämlich, wenn das experimentell gemessene Ergebnis nur dadurch zu erklären ist, dass dort unbekannte Teilchen zur Reaktion beitragen.
Bereits um die Wechselwirkung eines Elementarteilchens mit Photonen, den Teilchen des elektromagnetischen Feldes, richtig beschreiben zu können, muss man solche komplexeren Teilchenreaktionen berücksichtigen. In den üblichen Einheiten ist das sogenannte magnetische Moment eines Elementarteilchens wie eines Elektrons oder seines schwereren Cousins, des Muons, dimensionslos und hat auf der einfachsten Beschreibungsebene (freie Teilchen, keine Wechselwirkungen) gerade den Wert 2. Nimmt man jene komplexeren Teilchenreaktionen hinzu, dann ergibt sich eine Abweichung des magnetischen Moments g vom Wert 2, sprich: g minus 2, g-2.
Strebt man eine entsprechende Genauigkeit an, dann sind die Rechnungen, die man durchführen muss um herauszubekommen, was das Standardmodell der Elementarteilchen denn nun für g-2 vorhersagt, nichts anderes als brutal. Selbst wenn man erst einmal nur elektromagnetische Wechselwirkungen mit einbezieht (Quantenelektrodynamik, QED) werden die Rechnungen rasch unübersichtlich. Für solche Rechnungen gibt es eine einfache graphische Notation, bei der die einzelnen Beiträge zu einer Reaktion mit Hilfe sogenannter Feynmandiagramme dargestellt werden, in denen Teilchen als Linien und Wechselwirkungen als Knotenpunkte repräsentiert werden. Hier ist ein immer noch recht einfaches Diagramm, für die Wechselwirkung von drei Photonen:
Das wird immer komplizierter, je genauer man rechnet: In der ersten Genauigkeitsstufe für g-2 muss man nur ein einziges Diagramm berechnen. In der zweiten Genauigkeitsstufe (“zwei Loops”) sind es dann schon 9 Diagramme, bei Stufe drei (“drei Loops”) bereits 72, bei Stufe vier dann 891 Diagramme. Teilchenphysik-Theorie als Fleißarbeit. Von diesen Termen lassen sich dann leider auch nur noch wenige direkt berechnen. Für die anderen muss man numerische Näherungsrechnungen anstellen.
Und das war bislang nur die Quantenelektrodynamik (QED), also die Quantentheorie elektromagnetischer Wechselwirkungen. Will man auch die Reaktionen, an denen Quarks und aus ihnen zusammengesetzte Gebilde (“Hadronen”) beteiligt sind, einbeziehen - und das muss man für die angestrebte Genauigkeit! - dann wird es noch um einiges komplizierter.
Denn selbst die heroische Rechnung mit 891 Diagrammen war noch ein Näherungsverfahren, das als Störungsrechnung bezeichnet wird, und das man bei vergleichsweise schwachen Wechselwirkungen anwenden kann. Dabei geht man näherungsweise davon aus, dass die betreffenden Teilchen zwischen gelegentlichen Interaktionen (eben den Knoten der Linien) frei umherfliegen. Bei Quarks und der starken Kernkraft, über die sie wechselwirken, reicht diese Art von Näherung für die g-2-Rechnungen nicht aus. Da muss man das, was da vorgeht, dann tatsächlich so simulieren, dass auch gebundene Zustände berücksichtigt werden können. Dafür gibt es Elementarteilchen-Simulationen, in denen die Raumzeit nicht als Kontinuum, sondern als diskretes Gitter simuliert wird - ähnlich so, wie ein Schachbrett die Ebene in ein regelmäßiges Muster endlich großer Felder zerlegt. Solche Gitter-Rechnungen können Abschätzungen für die nötigen Reaktions-Beiträge liefern, aber das ist alles andere als einfach.
Die Vorgeschichte und Details kann man vermutlich spätestens morgen in der Tagespresse nachlesen. Mir geht es hier nur um die Grundlagen. Da kann man jetzt zunächst einmal sagen: OK, den Standards der Teilchenphysik nach war das jetzt noch keine echte Entdeckung einer Abweichung vom Standardmodell. Dafür haben sich die Teilchenphysiker*innen ein statistisches Kriterium namens “5 sigma” gegeben, vereinfacht gesagt: Die Wahrscheinlichkeit, dass das, was da als neues Ergebnis präsentiert wird, stattdessen auf zufällige Fluktuationen zurückgeht, muss unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegen. Diese Grenze ist bei den jetzt vorgestellten Ergebnissen noch nicht ganz erreicht (stattdessen 4.2 sigma, wenn man vorangehende ältere Messungen dazunimmt).
Nun gut, kann man sagen. Erstens misst das Experiment ja noch ein paar Jahre lang weiter. Seien wir mal optimistisch und nehmen wir an, dass die 5-sigma-Grenze dann überschritten wird.
Aber ist das dann auch ein Hinweis auf neue Physik? Dem Augenschein nach erst einmal ja - so wie das Ergebnis jetzt präsentiert wird, ist es eine klare Abweichung von den Vorhersagen der Standardmodell-Rechnungen. Und eine naheliegende Erklärung dafür wäre tatsächlich: Es gibt noch mehr Teilchen als die des Standardmodells. Noch unbekannte Teilchen, die bei den komplexen Teilchenreaktionen eine Rolle spielen und damit das Ergebnis verändern. Das wäre natürlich sehr spannend, denn damit wäre die lange Durststrecke, auf der das Standardmodell immer wieder bestätigt wird, aber es keine Anzeichen darauf gibt, was jenseits des Standardmodells liegen könnte, im besten Falle vorbei.
Allerdings ist ausgerechnet heute ein Artikel in der Zeitschrift Nature erschienen (und die zeitliche Übereinstimmung ist soweit ich weiß zufällig), der zeigt, wo eine deutlich weniger aufregende Lösung liegen könnte. (Ich bin auf den Artikel in diesem populärwissenschaftlichen Artikel von Natalie Wolchover zum g-2-Ergebnis aufmerksam geworden.) Dort wird genau für die vertrackten Gitter-Rechnungen für g-2 ein etwas anderer Ansatz gewählt, und das Ergebnis verschiebt sich damit deutlich in Richtung der vermeintlich anomalen Messergebnisse. Um tatsächlich eine Abweichung von theoretischer Vorhersage und experimenteller Messung festzustellen, muss man nun aber beides hinreichend sicher kennen. Die neuen theoretischen Rechnungen lassen zumindest Skepsis aufkommen, ob das bei diesem speziellen Vergleich bereits der Fall ist.
Vielleicht ist das neue Ergebnis also letztlich auch wieder nur eine Bestätigung des Standardmodells - zumindest sobald die Standardmodell-Rechungen hinreichend genau ausgeführt wurden. Komplett subjektiv halte ich das nach den eher enttäuschenden Teilchenphysik-Entwicklungen der letzten Jahrzehnte für durchaus wahrscheinlich. Aber in einer Ecke meines Gehirns ist vermutlich trotzdem noch eine kleine fahnenschwenkende Teilchenphysik-Fan-Region, die hofft, dass es diesmal anders ist. Dass es ausnahmsweise einmal keine Bestätigung gibt, sondern einen Hinweis auf neue, spannende Physik. Und ganz ausgeschlossen ist das beim jetzigen Stand ja in der Tat nicht.
Spektrum 8.4.2021