Die Grenzen des Standardmodells der Teilchenphysik

In der Welt der Teilchenphysik stehen wir vor einem Wendepunkt, der unsere Sicht auf das Universum grundlegend verändern könnte. Das Standardmodell der Teilchenphysik, das jahrzehntelang als Fundament unserer physikalischen Erkenntnis galt, wird durch neue Beobachtungen und Theorien auf die Probe gestellt.

Ein wesentlicher Aspekt, in dem das Standardmodell unvollständig bleibt, ist seine Unfähigkeit, die vergleichsweise schwache Gravitation und die gravitative Wechselwirkung zu beschreiben. Dies eröffnet ein Feld voller Rätsel – von der Dunklen Materie bis hin zu bahnbrechenden Experimenten, die das Modell herausfordern.

Wir leben in einer Ära bedeutender wissenschaftlicher Entdeckungen und Innovationen. In diesem Beitrag werfen wir einen Blick auf einige der Schlüsselerkenntnisse und Theorien, die die moderne Physik prägen.

Das Wichtigste in Kürze

  • Grenzen des Standardmodells: Das Standardmodell der Teilchenphysik ist erfolgreich, kann aber Gravitationskräfte und Dunkle Materie nicht einbeziehen, was auf seine Unvollständigkeit hindeutet.
  • Mysterium Dunkle Materie: Historische astronomische Beobachtungen, wie die von Fritz Zwicky, und neuere Analysen deuten auf die Existenz Dunkler Materie hin – eine unsichtbare Kraft, die Galaxien zusammenhält und sichtbare Materie überwiegt.
  • Streben nach einer einheitlichen Theorie: Bemühungen laufen, das Standardmodell mit der Gravitationstheorie in einem einheitlichen Rahmen wie der Quantengravitation zu integrieren, um zentrale Herausforderungen der Physik anzugehen.
  • Experimentelle Entwicklungen: Jüngste Experimente, wie das Muon g-2 des Fermilab, zeigen Unstimmigkeiten mit dem Standardmodell auf und deuten auf mögliche neue Physik hin.
  • Neue Theorien in Sicht: Theorien wie die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation werden als mögliche Rahmenwerke zur Vereinigung aller grundlegenden Kräfte und Elemente des Universums erforscht.
  • Rolle der Quantenmechanik: Die Quantenmechanik bleibt ein Pfeiler in der modernen Physik und liegt den Theorien und Entdeckungen in der Teilchenphysik zugrunde.
  • Innovationen jenseits von Teilchenbeschleunigern: Fortschritte in der Quantentechnologie könnten kleinere Laborexperimente ermöglichen, um die großen Fragen der Physik zu beantworten, was zu Durchbrüchen führen könnte, ohne sich ausschließlich auf große Teilchenbeschleuniger zu verlassen.

Historische Entdeckungen und die Herausforderung der Dunklen Materie

Der erste Hinweis darauf, dass das Standardmodell unvollständig ist, kam aus der Astronomie.

Bereits in den 1930er-Jahren untersuchte der schweizerische Astronom Fritz Zwicky den mehr als 300 Mio. Lichtjahre entfernten Coma-Galaxienhaufen im Sternbild „Haar der Berenike“ und berechnete die Geschwindigkeit, mit der die Galaxien um das Zentrum dieses Haufens kreisen.

Er fand heraus, dass die Zentrifugalkraft eigentlich schon längst die rasch umlaufenden Galaxien ins All hätte hinausschleudern müssen, es sei denn, der Coma-Haufen enthält viel mehr Masse, als sichtbar ist und ihre Anziehungskraft hält die Galaxien in der Bahn.

Dies würde bedeuten, so Zwicky, dass im Universum Dunkle Materie in viel höherer Dichte existiert, als sichtbare Materie. Auch sei die Anzahl der Sterne im Weltraum zu gering, um die Form und Dichte der Milchstraße zu erklären. Galaxien wären gar nicht erst entstanden, wenn nicht die Anziehungskraft dieser mysteriösen Materie den Urstoff zusammengehalten hätte, aus dem sich alles bildete.

Und in der Tat zeigt eine aktuelle Analyse der Universität Madrid u.a. anhand der Rotationsgeschwindigkeit ferner Galaxien, dass die innere Milchstraße bedeutende Mengen „Dunkler Materie“ besitzen muss: Sie drehen sich so schnell, dass sie trotz der Schwerkraft all ihrer Sterne, Gas- und Staubwolken auseinanderfliegen würden.

Daher muss eine unsichtbare Dunkle Materie diese Galaxien mit ihrer zusätzlichen Schwerkraft zusammenhalten.

Dunkle Materie: Ein Unbekanntes Universum

Ohne einen hohen Anteil an zusätzlicher, aber unsichtbarer „Dunkler Materie“ müsste unsere Heimatgalaxie mit der Zeit auseinanderfliegen – was sie aber nicht tut.

Irgendetwas hält sie also durch Schwerkraft zusammen. Doch woraus diese „dunkle Materie“ bestehen könnte, ist bis heute unklar. Alle Versuche, das Rätsel z.B. durch ausgebrannte, nicht mehr leuchtende Sterne oder kalte durchsichtige Gas- oder Staubwolken zu lösen, schlugen fehl.

Dabei wissen die Astrophysiker schon lange, dass die „normale“ Materie, aus der Sterne, Planeten und Menschen bestehen, generell nur einen kleinen Teil des Inhalts des Weltalls ausmacht. Ein Vielfaches häufiger ist die unsichtbare Dunkle Materie, deren Natur völlig unbekannt ist und die sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar macht.

Die Limitierungen des Standardmodells in der Teilchenphysik

Außerdem gibt es auch innerhalb der Teilchenphysik einige offene Fragen, die das Standardmodell nicht lösen kann, wie z.B. das Hierarchieproblem und die Vereinigung der 3 Grundkräfte.

In theoretischer Hinsicht ist das Standardmodell eine Quantenfeldtheorie. Ihre fundamentalen Objekte sind Felder, die nur in diskreten Paketen verändert werden; die diskreten Pakete entsprechen in einer passenden Darstellung den beobachteten Teilchen.

Das Standardmodell ist so gebaut, dass die von ihm beschriebenen Teilchen und Felder die Gesetze der Speziellen Relativitätstheorie erfüllen. Gleichzeitig enthält es die Aussagen der Quantenmechanik und der Quantenchromodynamik.

Viele Voraussagen des Standardmodells wurden durch Experimente der Teilchenphysik bestätigt. Insbesondere ist die Existenz auch derjenigen Elementarteilchen des Modells nachgewiesen, die erst von der Theorie vorhergesagt wurden.

Die gemessenen quantitativen Eigenschaften der Teilchen stimmen sehr gut mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Ein besonders deutliches Beispiel dafür ist der sog. g-Faktor des Elektrons.

Daher gibt es Gründe für die Annahme, dass das Standardmodell der Elementarteilchenphysik nur ein Aspekt einer noch umfassenderen Theorie ist.

Dunkle Materie und Dunkle Energie werden vom Standardmodell nicht beschrieben. Seine Aussagen führen bei hohen Energien, wie sie beim Urknall auftraten, zu Widersprüchen mit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Das Standardmodell beinhaltet mindestens 18 freie Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen und anhand experimenteller Ergebnisse festgelegt werden müssen.

Auch die inzwischen bestätigte, von Null verschiedene Ruhemasse der Neutrinos führt über die Theorie des Standardmodells hinaus. Das Modell wird dadurch recht „biegsam“, kann sich aber in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen.

Quantengravitation: Die Suche nach einer Vereinheitlichten Theorie

Die Vereinigung der 2 zentralen Theoriegebäuden:

  • des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und
  • der Gravitation

in einer Theorie der Quantengravitation gilt daher heute nach wie vor als eine der größten Herausforderungen in der Physik. Demgemäß gibt es zahlreiche Bemühungen, das etablierte Standardmodell ohne Änderung seines Fundamentes um weitere Ansätze zu erweitern oder es gar abzulösen:

  • Die bekanntesten Ansätze für neue Modelle sind Versuche zur Vereinigung der 3 im Standardmodell vorkommenden Wechselwirkungen in einer Großen vereinheitlichten Theorie (GUT). Solche Modelle beinhalten häufig auch Supersymmetrie, eine Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen. Diese Theorien postulieren zu jedem Teilchen des Standardmodells Partnerteilchen mit vom Originalteilchen unterschiedlichen Spin, von denen bisher jedoch noch keines nachgewiesen werden konnte.
  • Ein anderer Ansatz zur Erweiterung des Standardmodells ergeben besondere Quantentheorien der Gravitation. Solche Ansätze beinhalten beispielsweise
  • die Stringtheorien, die auch GUT-Modelle enthalten, sowie
  • die Schleifenquantengravitation.

Die Stringtheorie als dominierende Kandidatin für eine alle Naturkräfte vereinheitlichende Theorie

Die Stringtheorie gilt derzeit als dominierende Kandidatin für eine alle Naturkräfte vereinheitlichende Theorie. Bei ihr werden alle Elementarteilchen durch eindimensionale Strings repräsentiert.

Es handelt sich um eine Sammlung eng verwandter hypothetischer physikalischer Modelle, die anstelle der Beschreibung von Elementarteilchen in den gewohnten Modellen der Quantenfeldtheorie als punktförmige Teilchen in der Raum-Zeit (räumliche Dimension Null) sog. Strings (englisch für Fäden oder Saiten) als fundamentale Objekte mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung verwenden oder auch höherdimensionale Objekte in Erweiterungen der Stringtheorie.

Allerdings lässt sich diese Theorie nach bisherigem Kenntnisstand nur in einem 10-, 11- oder 26-dimensionalen Universum formulieren. Außerdem ist unklar, ob und in welcher Weise sie das bekannte Standardmodell der Elementarteilchen reproduziert.

Die Theorie der Schleifenquantengravitation

Die Theorie der Schleifenquantengravitation (SQG – (Loop-Quantengravitation, engl. loop quantum gravity) ist ebenfalls ein Ansatz für eine Theorie der Quantengravitation, d.h. eine Theorie zur Vereinigung der Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie. Im Zuge der Schleifenquantengravitation wird die Allgemeine Relativitätstheorie zunächst als Eichtheorie umformuliert sowie eine modifizierte Quantisierungsvorschrift angewandt.

Durch die Schleifenquantengravitation, in der auch Raum und Zeit gequantelt sind, wird der Raum als dynamisches quantenmechanisches Spin-Netzwerk beschrieben, das durch Diagramme aus Linien und Knoten anschaulich darstellbar ist.

Eine Konsequenz aus dieser Theorie wäre die Quantisierung von Raum und Zeit im Bereich der Planck-Länge (ca. 10−35 m) bzw. Planck-Zeit (ca. 10−43 s). Auf Skalen in diesen Größenordnungen werden alle Phänomene der Physik, einschließlich der Gravitation und der Geometrie, nicht mehr als Kontinuum, sondern quantisiert beschrieben.

Allerdings ist bis heute (2020) noch nicht endgültig geklärt, ob die so definierte Theorie in sich konsistent ist und ob sie im klassischen Grenzfall die Ergebnisse der Allgemeinen Relativitätstheorie reproduziert.

Die Rolle der Quantenmechanik

Die Quantenmechanik ist eine Theorie der Physik, die Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten von Materie beschreibt.

Im Gegensatz zu den Theorien der klassischen Physik erlaubt sie die Berechnung physikalischer Eigenschaften von Materie im Größenbereich der Atome und darunter.

Die Quantenmechanik ist eine der Hauptsäulen der modernen Physik. Sie bildet die Grundlage zur Beschreibung der Phänomene der Atomphysik, der Festkörperphysik und der Kern- und Elementarteilchenphysik, aber auch verwandter Wissenschaften wie der Quantenchemie.

Aber selbst der Durchschnitts-Hardcore-Physiker hat nur eine vage Vorstellung davon, was diese eigentlich sind. Vieles kann freilich in populärwissenschaftlichen, oft von Nobelpreisträgern geschriebenen Büchern, mit großem Gewinn gelesen werden, z.B. auch in den Büchern von Steven Weinberg, Murray Gell-Mann oder Harald Lesch.

Aktuelle Entwicklungen in der Teilchenphysik

Das Standardmodell der Teilchenphysik gerät von verschiedenen Seiten unter Druck. Es gibt immer mehr Hinweise, dass nicht alle Vorhersagen dieser grundlegenden Theorie richtig sind und es Anzeichen für eine neue Physik jenseits des Standardmodells gibt.

Das Rätsel der Leptonen-Symmetrie

Insbesondere ist die Symmetrie von Elektronen und Myonen fraglich. Gemäß der Theorie sollen sich Elektronen, Myonen und Tauteilchen in gleicher Weise verhalten, weil sie quasi der gleichen Familie angehören.

Sie alle sind sog. Leptonen, besitzen exakt die gleiche elektrische Ladung und unterscheiden sich lediglich in einem einzigen Parameter – ihrer Masse.

Ansonsten sollte völlige „Symmetrie“ herrschen, wie Physiker es gerne ausdrücken. Doch genau diese Symmetrie scheint zu wackeln – was wiederum die zugrunde liegende Theorie infrage stellt, die letztlich ja das Verhalten aller Kräfte und Teilchen im Universum beschreiben soll.

Das Muon g-2 Experiment am Fermilab

Am 25.02.2021 wurde ein am Forschungslabor „Fermilab“ durchgeführtes Teilchenphysikexperiment namens „Muon g-2“ publiziert. Eine Nachricht von Wissenschaftlern des Fermilab sorgte für Aufsehen.

Demnach passen die experimentell beobachteten magnetischen Eigenschaften des Myons, eines gut 200-mal massereicheren Cousins des Elektrons, nicht zu den theoretischen Vorhersagen des sogenannten Standardmodells.

Dieses könnte die Naturgesetze und das berühmte Standardmodell der Teilchenphysik als das etablierte Regelwerk verändern oder gar ins Wanken bringen. Denn damit hat diese zentrale Theorie zur Beschreibung aller Teilchen einen Riss erhalten – vorausgesetzt, die Beobachtungen werden durch weitere Messungen bestätigt.

Denn mit dem Experiment wurde das Elementarteilchen „Myon“ vermessen – und eine winzige Abweichung festgestellt. Diese Abweichung bedeutet nichts weniger, als dass die Wissenschaftler nun wohl das grundlegende Theoriegebäude der Teilchenphysik, das sog. Standardmodell, umschreiben müssen.

Es ist wohl die wichtigste Erkenntnis in der Teilchenphysik seit der Entdeckung des Higgs-Teilchens am Genfer Kernforschungszentrum CERN als dem letzten fehlenden Baustein im Standardmodell im Jahr 2012.

Seitdem ist nichts aufgetaucht, was Phänomene wie Dunkle Materie und Dunkle Energie erklären könnte oder Albert Einsteins große Vision einer Vereinheitlichung aller Kräfte in einer Art Weltformel näherbringt.

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Fermilab: Ein führendes Forschungszentrum

Das Fermi National Accelerator Laboratory oder kurz Fermilab ist ein Forschungszentrum für Teilchenphysik, das vom US-amerikanischen Department of Energy betrieben wird. Es liegt etwa 50 Kilometer westlich von Chicago in Illinois, auf dem Gebiet der Gemeinde Batavia, und beherbergt das „Tevatron“, das am 30.11.2009 vom „Large Hadron Collider“ als energiereichster Teilchenbeschleuniger der Welt abgelöst wurde.

Das „Fermilab“ beschäftigt derzeit rund 2.200 Mitarbeiter und ist das führende Forschungsinstitut für Proton-Antiproton-Kollisionen mit den zwei Detektoren CDF und D0-Experiment. Am „Fermilab“ wurden das Bottom-Quark (1977), das Top-Quark (1995) und das Tau-Neutrino (2000) entdeckt.

Luftbild des Fermilab – Das gleichförmige Magnetfeld im Ring
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Die Bedeutung des Landé-Faktors

Das Experiment hatte das Ziel, den sog. Landé-Faktor (g-Faktor) des Myons genauer zu vermessen. Der Landé-Faktor beschreibt das Verhältnis der Stärke des quantenmechanischen Magnetfeldes zur Erwartung aus der klassischen Physik.

Myonen tragen die gleiche Ladung wie ein Elektron, haben aber 207 Mal mehr Masse. Entdeckt wurden Myonen 1937 als Bestandteil der kosmischen Strahlung.

Damit ist indes nicht gemeint, dass sie selber aus den Tiefen des Alls zu uns kommen, sondern die nachgewiesenen Myonen wurden erst in der Erdatmosphäre kreiert – bei der Kollision von Teilchen der kosmischen Strahlung mit Molekülen der Luft. Myonen entstehen als alltäglicher Bestandteil der kosmischen Strahlung immer dann, wenn andere Teilchen kollidieren.

Wenn Wissenschaftler Myonen erforschen wollen, müssen diese in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Auch dort entstehen Myonen bei der Kollision anderer Teilchen. Und dann haben die Forscher einige Hundert Nanosekunden Zeit, um mit den vorübergehend in die Welt geholten Teilchen Experimente durchführen zu können.

Myonen sind sehr flüchtige Teilchen. Anders als ihre viel leichteren Cousins, die Elektronen, zerfallen sie jedoch schon nach etwas mehr als 2 Millionstel Sekunden in andere Partikel.

Das magnetische Moment und seine Abweichungen

Wie groß der Magnetsinn von Elektronen, Myonen und anderen Teilchen ist, lässt sich mit Gleichungen aus dem 19. Jh. berechnen. Das Ergebnis ist auf den ersten Blick sehr elegant: Der „g-Faktor“ ist eine glatte 2. Doch das reale magnetische Moment der geladenen Teilchen weicht leicht von diesem Wert ab. Für Elektronen beträgt „g“ beispielsweise 2,00116, wie Messungen schon in den 1940er Jahren zeigten.

Seither interessieren sich Forscher vor allem für die Abweichung von der Vorhersage der glatten 2. Eine Generation von Theoretikern suchte nach einer Erklärung; unter ihnen war auch Richard Feynman (*11.05.1918; †15.02.1988 in Los Angeles), ein US-amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger des Jahres 1965, der als einer der großen Physiker des 20. Jh.s gilt und der wesentliche Beiträge zum Verständnis der Quantenfeldtheorien geliefert hat.

Wer sich für Myonen interessiert, muss sie an Teilchenbeschleunigern gezielt ins Leben rufen, in Vakuumröhren einfangen und dann binnen einiger Nanosekunden schnell ein paar Messungen durchführen. Das alles ist sehr aufwändig und versprach im 20. Jh. nicht viel mehr als einen Eintrag in irgendeinem Nachschlagewerk für Naturkonstanten.

In den letzten 50 Jahren wurde in zahlreichen Experimenten die obere Grenze für die Verzweigungsverhältnisse solcher Zerfälle ständig verbessert.

Die Bedeutung der Myonen für die Physik

Myonen eignen sich besonders gut, um fundamentale Kräfte in der Physik auf höchstem Präzisionsniveau zu studieren. Nach heutigem Kenntnisstand sind sie wie alle Leptonen punktförmig. Damit lassen sich im Rahmen der Quantenelektrodynamik ihre Eigenschaften sehr präzise berechnen.

Der Einfluss anderer Kräfte als der elektromagnetischen Kraft ist klein, aber durch virtuelle Teilchen, die das Myon umgeben, beobachtbar. Das führt zu einer Abweichung der magnetischen Eigenschaften des Myons.

Das Besondere: Myonen tragen wie Elektronen eine elektrische Ladung, außerdem rotieren sie laufend um ihre eigene Achse, Physiker sprechen von ihrem Spin. Das macht die Teilchen zu winzigen fliegenden Stabmagneten, die auf die Magnetfelder in einem Speicherring reagieren.

Die kosmische Strahlung enthält Myonen mit einer Energie von mehreren GeV. Durch ihre hohe kinetische Energie können sie mehrere Kilometer dicken Fels durchdringen, bevor sie auf Geschwindigkeiten deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit abgebremst sind und zerfallen.

Daher kann man sie bei der Myonen-Tomografie zum Durchleuchten größerer Objekte nutzen. Dazu werden die Myonen der kosmischen Strahlung verwendet und ihre Streustrahlung gemessen und tomographisch ausgewertet. – So wurde in den 1960er Jahren die Chephren-Pyramide von Luis Walter Alvarez untersucht.

Im Jahr 2009 wurde die Methode auf den Vulkan Iō-dake (japanisch 硫黄岳) auf der Insel Iojima (Kikai-Caldera, Ōsumi-Inseln) angewandt; dadurch konnte die Dichteverteilung des Vulkans ermittelt werden. Im Herbst 2017 gaben Forscher den durch Myonentomografie erfolgten Fund eines mindestens 30 m langen Hohlraums in der Cheops-Pyramide oberhalb der Großen Galerie bekannt.

Die Suche nach neuer Physik

Die Präzisionsmessung einer weltweiten Kollaboration am Brookhaven National Laboratory deutete 2001 erstmals darauf hin, dass die magnetischen Eigenschaften des Myons nicht mit den theoretischen Voraussagen des sog. Standardmodells übereinstimmen. Doch die Aussagekraft dieser einen Messung reichte noch nicht, um eine Abweichung von der Theorie mit Sicherheit zu verkünden.

Doch es blieb ein Verdacht. Seit dem Ende der Brookhaven-Experimente arbeiteten US-Physiker daher darauf hin, die Versuche am „Fermilab“ zu wiederholen.

Aus Kostengründen recycelte man den supraleitenden Speicherring von der Ostküste, versah ihn aber mit neuer Messelektronik. Erst überlegten die Verantwortlichen, das 14 Meter große Ungetüm per Helikopter nach Chicago zu transportieren, was aber an Versicherungsfragen gescheitert sein soll.

Schließlich wählte man 2013 den Seeweg, um Florida herum und den Mississippi hinauf. 2018 begannen dort die Experimente. Der ungewöhnliche Befund: Der Magnetsinn von Myonen schien etwas größer zu sein, als es die Gesetze der Teilchenphysik vorhersagten.

Zwar nur ein wenig, so dass auch eine statische Schwankung denkbar blieb. Aber weit genug, um Forschende neugierig zu machen: Sollte es andere als die der Teilchenphysik derzeit bekannten Teilchen geben und sollten diese nicht allzu große Massen haben, dann müssten sie sich in der magnetischen Anomalie des Myons bemerkbar machen.

Das Experiment konnte zunächst keine signifikante Abweichung des Landé-Faktors nachweisen, der für Myonen etwas größer als 2 ist und das Verhältnis der Stärke des quantenmechanischen Magnetfelds zur Erwartung aus der klassischen Physik beschreibt. Die Abweichung von 2 sollte dann mit einer Präzision von 0.14 ppm gemessen werden.

Bisherige Experimente fanden eine leichte Abweichung, waren aber nicht empfindlich genug, um eine zufällige Fluktuation des Messwerts als Ursache auszuschließen.

Seit 2018 kreisen die Myonen fast mit Lichtgeschwindigkeit in dem Teilchenbeschleuniger am „Fermilab“ und seitdem träumen die Wissenschaftler davon, dass das magnetische Moment die Tür zu neuen Naturgesetzen öffnen könnte.

Die supraleitenden Magneten des Rings zwingen die Myonen hier auf ihre Bahnen. Früher oder später zerfallen die Teilchen dann in Positronen, die Antiteilchen des Elektrons, die von Detektoren am Rand des Rings aufgefangen werden.

Aus der Energie der Positronen lässt sich die Ausrichtung des Spins der Myonen rekonstruieren – und daraus die Stärke ihres Magnetsinns. Dabei hat das Experiment gezeigt: Das magnetische Moment des Myons weicht erneut von der Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik ab. Eine mit Spannung erwartete Messung widerspricht dem Standardmodell der Teilchenphysik und könnte eine Spur zu neuen Naturgesetzen weisen.

Bei dem Experiment geht es darum, der Natur ein Geheimnis zu entlocken: Die Myonen, die schweren Cousins des Elektrons, scheinen ein klein wenig anders auf Magnetfelder zu reagieren, als es das berühmte Standardmodell als das etablierte Regelwerk der Teilchenphysik besagt.

Mit supraleitenden Magneten werden im Speicherring des „Fermilab“ Myonen auf einer Kreisbahn gehalten, bevor sie zerfallen. Die dabei entstehenden Positronen, die Antiteilchen des Elektrons, werden von Detektoren registriert und ihre Energie vermessen.

Aus dieser Energie lässt sich über eine Reihe komplizierter Berechnungen letztlich die Stärke des magnetischen Moments der Myonen ermitteln. Die beobachtete Abweichung mag winzig sein, doch die Folgen wären enorm.

Da die erwartete Abweichung mit ähnlicher Präzision vorhergesagt werden kann, ist dies ein genauer Test des Standardmodells. Stimmen Vorhersage und Messwert nicht überein, ist dies ein Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells, beispielsweise von noch unentdeckten Teilchen.

Schließlich fanden die Wissenschaftler aber eine Erklärung für die wenig elegante Größe des Magnetsinns: Das Vakuum ist schuld. Dort, im luftleeren Raum, entstehen laut Quantenphysik laufend Paare aus Teilchen- und Antiteilchen, überall und zu jeder Zeit. Diese virtuellen Partikel löschen sich nach einigen Sekundenbruchteilen gegenseitig aus.

Doch während ihrer kurzen Existenz zerren sie ein wenig an gewöhnlichen Elementarteilchen. Das gilt auch für Myonen. Hier führen die Einflüsse aus dem Vakuum auf ein anomales magnetisches Moment von ungefähr 0,00116591810. So besagt es zumindest die Herleitung aus der Quantentheorie.

Die Publikation des Teilchenphysikexperiments namens „Muon g-2“ am „Fermilab“ vom 25.02.2021 elektrisiert die Experten in aller Welt.

Graziano Venanzoni, der Sprecher der 200-köpfigen „Muon-g-2-Gruppe“, sprach in einer Pressemitteilung von „einem außergewöhnlichen Tag, den nicht nur wir sehnlichst erwartet haben, sondern Physiker weltweit“. Das mag pathetisch klingen. Andererseits gab es in den vergangenen Jahren nur wenige Erfolgsmeldungen aus der Teilchenphysik.

Der Speicherring des Fermilabs
Copyright: Cindy Arnold/Fermilab

Nach allem, was Physiker wissen, kann der luftleere Raum alle Partikel hervorbringen, die der Bauplan der Natur bereithält. Virtuelle Elektron-Positron-Paare zeigen sich dort genauso wie virtuelle Quarks- und Antiquarks.

Und womöglich ploppen im Vakuum auch Teilchen auf, die Experten bisher gar nicht auf dem Schirm haben – was dann das magnetische Moment des Myons auf messbare Art und Weise verändern müsste.

Dies würde der Physik einen großen Durchbruch bescheren. Von Anfang an war klar, dass es bei dem Experiment sehr auf die Genauigkeit ankommen würde. Also ersannen die Forscher Strategien, um möglichst unvoreingenommen mit den Daten umzugehen.

Zukunftsaussichten und laufende Forschung

Bisher haben die Wissenschaftler erst 6 % der Daten ausgewertet, die das Experiment im Laufe der Jahre aufzeichnen soll. Doch schon jetzt deutet sich der Trend an, den viele der Beteiligten erhofft haben dürften: Das magnetische Moment des Myons weicht erneut von der Vorhersage des Standardmodells ab, ganz ähnlich wie damals in Brookhaven.

Es ist spannend, dass die Diskrepanz nicht verschwunden ist, aber es gibt noch Zweifel: Die Daten vom „Fermilab“ widersprechen aktuell mit einer Signifikanz von 3,3 „Sigma“ der Vorhersage des Standardmodells.

Das im Fermilab gemessene magnetische Moment des Myons ist ein klein wenig größer als jener, den das Standardmodell der Teilchenphysik vorhersagt: 0,00116591810 und damit ein Zeichen für eine „neue Physik“, wie die Forscher sagen. Denn der Unterschied ist durchaus signifikant. Das klingt solide, ist aber noch ein gutes Stück von jenen 0,00003 Prozent („5 Sigma“) entfernt, ab denen ein Phänomen in der Teilchenphysik als real gilt.

Kombinieren die Forscher ihre Ergebnisse mit den 20 Jahre alten Aufzeichnungen aus Brookhaven, kommen sie immerhin auf 4,2 Sigma. Abschließende Sicherheit, dass man es mit etwas Spannendem zu tun hat, können aber erst neue Daten bringen. Der Speicherring am Fermilab soll im Laufe des Jahres 2021 weiter Myonen analysieren. Und auch Experimente in Japan und in der Schweiz wollen die genauen Eigenschaften der Elektron-Cousins ergründen.

Parallel dazu sind Theoretiker gefragt. Sie dürften einerseits darüber streiten, ob die bisherige Vorhersage des Standardmodells wirklich korrekt ist. Zuletzt hat hier eine deutsch-französisch-ungarische Forschergruppe für Aufsehen gesorgt, die den zu erwartenden Wert des magnetischen Moments mit einer neuen Methode berechnet hat. Dabei erhielt sie ein Ergebnis, das mit den Daten aus den Fermilab-Experimenten übereinstimmt.

Daneben werden Modellierer ausloten, welche neuen Teilchen das magnetische Moment des Myons am ehesten beeinflussen könnten. Im Rennen sind hier nicht nur neue Varianten des Higgs-Teilchens, kommentierte der an Muon 2-g beteiligte Theoretiker Dominik Stöckinger von der TU Dresden. Auch noch nicht falsifizierte Varianten der Supersymmetrie und so genannte Leptoquarks kämen in Betracht.

Letztere hätten den Charme, dass einige Forscher sie auch zur Erklärung einer anderen Anomalie heranziehen: Am Genfer Teilchenbeschleuniger LHC scheinen Myonen ebenfalls leicht von Vorhersagen des Standardmodells abzuweichen. Allerdings müssten Leptoquarks dafür andere Eigenschaften haben als im Fall der „Fermilab-Anomalie“.

Im ungünstigsten Fall könnte es sehr knifflig werden, etwaige neue Teilchen auch wirklich dingfest zu machen. Denn anhand einer einzigen Zahl (nämlich g-2) auf mögliche Modelle für Physik jenseits des Standardmodells zu schließen, ist schwierig. Schließlich verrät das anomale magnetische Moment nicht, welche Masse der oder die Neulinge haben. Diese Information braucht man jedoch, um gezielt mit Teilchenbeschleunigern danach zu suchen.

Das am „Fermilab“ ermittelte Ergebnis macht klar, dass es im physikalischen Verständnis des Universums und der Teilchen ein großes Loch geben muss.

Was genau nun daraus folgt, ist noch nicht klar. Möglicherweise müssen neue Teilchen oder Kräfte in das Theoriegebäude der Physik eingebaut werden. Die Suche nach jetzt zu postulierenden neuen Teilchen würde den Wissenschaftlern an den großen Beschleunigerlabors neue Perspektiven eröffnen.

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons hat es keine wirklichen Durchbrüche in der experimentellen Teilchenphysik mehr gegeben.

Für die Myonen-Wissenschaftler ist das aber erst der übernächste Schritt. Sie wollen die Anomalie erst einmal zweifelsfrei nachweisen. Dazu verbessern sie das Experiment immer weiter. Unlängst haben sie beispielsweise den Speicherring mit einer thermischen Isolierung ummantelt.

Zuvor sah man deutlich in den Daten, ob gerade Tag oder Nacht war. Denn je nach Temperatur funktionieren die supraleitenden Magnete unterschiedlich gut. Und das merken natürlich auch die Myonen mit ihrem feinen Sinn für Magnetismus.

Auf einer virtuellen Pressekonferenz zeigte Chris Polly vom Fermi-Team in einem Diagramm auf den weißen Raum zwischen dem theoretischen und dem gemessenen Wert des Myon-Magnetmoments: „Wir können ziemlich sicher sagen, dass sich dahinter etwas verbergen muss. Welche Monster mögen da wohl auf uns lauern?“

Die Fermi-Forscher haben bislang erst sechs Prozent der in den vergangenen drei Jahren gewonnenen Daten ausgewertet.

Daran waren auch Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich beteiligt. Auf den Superrechnern dieses Instituts wurde ein Teil der Analysen durchgeführt. Die jetzt in „Nature“ publizierten Daten basieren auf der Auswertung von 8 Mrd. Milliarden Myonen aus dem ersten Messlauf, der noch 2018 abgeschlossen wurde.

Die Analyse der zweiten und dritten Messkampagne ist in Arbeit, eine vierte Messung läuft gerade, und eine fünfte soll im Herbst 2021 gestartet werden. Es wird also noch mehrere Jahre dauern, bis alle Resultate in das Endergebnis eingeflossen sind. Dessen statistische Genauigkeit wird dabei zwangsläufig immer besser werden.

Schon jetzt sprechen die Forscher aber von einer „starken Evidenz“, dass die Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis echt ist und das Myon irgendetwas „spüren“ muss, das bislang noch nicht in der Standardtheorie enthalten ist.

Die Spekulationen über neue, noch nicht bekannte Teilchen und Kräfte, über eine „neue Physik“ wird jetzt beginnen. Was die Forscher so sicher macht, dass sie keinem Hirngespinst nachjagen, ist insbesondere die gute Übereinstimmung mit jenen Ergebnissen, die 2001 von den Forschern des Brookhaven National Laboratory publiziert worden sind.

Damals wurde ein noch größerer Wert als jetzt beim „Fermilab“ gemessen. Innerhalb der Toleranzintervalle stimmen beide Messwerte aber überein – und lassen sich beide nicht mit der Vorhersage des Standardmodells erklären.

Gleichwohl gelten nach den strengen Standards der Physik die Resultate der beiden Labs zum Magnetmoment des Myons bislang noch nicht als „offizielle Entdeckung“ in dem Sinne, dass sie tatsächlich der Theorie widersprechen.

Die Chance, dass das Messergebnis ein statistischer Ausrutscher ist, liegt derzeit noch bei 1 zu 40.000, was einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 0,0025 Prozent entspricht. Erst wenn dieser Wert kleiner als 0,00005 Prozent ist, sprechen Physiker von einer gesicherten Entdeckung.

Die Prüfung der Leptonen-Universalität im LHCb-Experiment des Genfer Forschungszentrums CERN und die Anzeichen möglicher weiterer Risse im Standardmodell

Das identische Verhalten von Elektronen, Myonen und Tauteilchen wird von den Physikern auch als Leptonen-Universalität bezeichnet.

Ein internationales Forscherteam der sog. Large-Hadron-Collider-beauty-Kollaboration, die am gleichnamigen LHCb-Detektor des CERN Messungen durchführt, stieß nun auf Abweichungen von dieser Universalität.

Dieser Forschergruppe gehören auch Wissenschaftler der RWTH Aachen, der Technischen Universität Dortmund, der Universität Heidelberg sowie der Universität Zürich an. Das LHCb-Experiment ist eines von vier großen Forschungsapparaturen am Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) des Genfer Forschungszentrums CERN.

Das LHCb-Experiment des Genfer Forschungszentrums CERN
Copyright: CERN

Die Forscher untersuchten am CERN sehr seltene Zerfallsprozesse von sog. B+-Mesonen. Gemäß der Theorie müssten bei ihrem Zerfall gleich oft 2 Elektronen oder 2 Myonen entstehen. Die Experimente zeigten allerdings, dass der Zerfallsweg hin zu den Elektronen etwas häufiger ist. Das könnte, so berichten die CERN-Forscher, auf eine Verletzung der Lepton-Universalität hindeuten.

Bislang reicht die Statistik der Messdaten – ähnlich wie bei den Beobachtungen am Fermilab – allerdings noch nicht aus, um von einer „Entdeckung“ sprechen zu können. Weitere Messungen könnten die derzeitige Signifikanz von 3,1 Standardabweichungen (Sigma) erhöhen.

Ab einer Signifikanz von 5,0 Sigma sprechen Physiker von einer Entdeckung. Wenn die Messung mit weiteren Daten bestätigt wird, wäre dies ein starkes Anzeichen für neue Physik jenseits des Standardmodells.

Eine mögliche Erklärung der gemessenen Abweichungen könnte die Existenz von Lepto-Quarks sein. In die gleiche Richtung hatten auch Forscher vom Fermilab argumentiert. Dies hätte dann auch zur Folge, dass es eine neue fundamentale Wechselwirkung („fünfte Kraft“) zwischen Leptonen und den Lepto-Quarks geben könnte.

Noch ist es zu früh für eine endgültige Schlussfolgerung. Doch eine „neue Physik“ jenseits des heutigen Standardmodells wird immer wahrscheinlicher.

Das „Mu3e-Experiment“ am schweizerischen Paul-Scherrer-Institut zur Prüfung des Standardmodells

Eine andere internationale Forschungskollaboration will am schweizerischen Paul-Scherrer-Institut das Standardmodell aus einer weiteren Stoßrichtung attackieren.

Beim sog. „Mu3e-Experiment“, an dem auch Forscher der Universität Mainz beteiligt sind, soll nach dem Zerfall von Myonen (Mu) in 3 Elektronen (3e) gesucht werden. Das Standardmodell sagt voraus, dass dieser Zerfall extrem unwahrscheinlich ist.

Sollte er sich im Experiment dennoch häufiger nachweisen lassen, wäre auch dies ein weiteres Indiz dafür, dass es jenseits des Standardmodells eine neue Physik geben muss. Diese Versuche sollen in rund 3 Jahren beginnen.

Die „Suche nach neuer Physik“ mit Hilfe modernste Quantentechnologie: Die Abkehr vom Teilchenbeschleuniger?

Teilchenbeschleuniger haben Physikern große Erkenntnisgewinne beschert. Doch der Bau neuer, größerer Anlagen ist teuer und ungewiss. Möglicherweise lassen sich die offenen Fragen der Physik auch mit Experimenten im kleinen Labor beantworten.

Die Illustration zeigt den Zerfall eines fiktiven Higgs Boson
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Physiker sind immer auf der Suche nach neuen Erkenntnissen. Sie formulieren Modelle, mit denen sich möglichst alle beobachtbaren Phänomene erklären lassen. Mithilfe von Experimenten, gleichsam sorgsam formulierten Fragestellungen an die Natur, wird dann gecheckt, ob die Annahmen und Prognosen richtig waren oder ob dort nachjustiert werden muss.

Eines der bekanntesten Beispiele für eine theoretische Vorhersage ist die des britischen Physikers Peter Higgs. Er hatte 1964 die Existenz eines Teilchens prognostiziert, das für das Theoriengebäude von besonderer Bedeutung ist.

Als dann 2012 endlich die Entdeckung des jahrzehntelang gesuchten Higgs-Teilchens verkündet werden konnte, war das gleichsam die Krönung des sog. Standardmodells der Physik – einer umfassenden Theorie, die alle bekannten Elementarteilchen und der 4 fundamentalen Naturkräfte beschreiben kann.

In den vergangenen Jahren sprechen Physiker immer öfter von der „Suche nach neuer Physik“, die jene Dinge erklären kann, bei denen das Standardmodell bislang versagt. Es ist eben noch lange nicht die „theory of everything“, mit der tatsächlich alles erklären lässt:

  • Zum einen ist es immer noch nicht gelungen, die Gravitationskraft in das Standardmodell zu integrieren.
  • Auch für die mysteriöse Dunkle Materie gibt es immer noch keine wissenschaftliche Erklärung, obwohl es für ihre Existenz im Universum handfeste indirekte Belege gibt. Die Natur der Dunklen Materie, von der es fünfmal mehr als von der uns bekannten „gewöhnlichen“ Materie gibt, ist noch unklar.

Mit „neuer Physik“ meinen die Wissenschaftler also, dass man endlich Antworten auf diese offenen Fragen erhält, die ja fundamental sind.

Bislang war das vorherrschende Narrativ, dass mithilfe immer größerer Teilchenbeschleuniger und Experimenten bei immer höheren Energien, der entscheidende Erkenntnisgewinn zu erwarten sei. Schließlich wurde ja auch das wichtige Higgs-Teilchen mit dem größten Beschleuniger der Welt, dem LHC im Genfer Forschungszentrum Cern entdeckt.

Jüngst fragen sich Wissenschaftler, ob die großen offenen Fragen der Physik ohne riesige, unterirdische Beschleunigeranlagen in kleinen Forschungslabors beantwortet werden können. Denn modernste Quantentechnologie ermöglicht Laborexperimente mit zuvor ungeahnter Präzision auf den Spuren neuer Physik.

Tatsächlich hat es in den vergangenen Jahren außerordentliche Fortschritte beim kontrollierten Umgang mit Quantenteilchen gegeben – sowohl bei Licht- als auch Materie-Quanten.

So hoffen die Forscher jetzt, mit hochpräzisen Atomuhren die im All an der Erde vorbeiziehende Dunkle Materie nachweisen zu können. Sie erwarten, dass die Gravitationskraft der Dunklen Materie den Gang der Atomuhren minimal beeinflusst.

Neue Physik kann sich dabei durch sich verändernde Naturkonstanten oder die Verletzung grundlegender Symmetrien von Raum und Zeit verraten. Die verfügbaren Atomuhren sind so präzise, dass sie heute maximal um eine Sekunde falsch gehen würden, wenn man sie während des Urknalls vor 13,8 Milliarden Jahren gestartet hätte.

Diese unvorstellbar hohe Genauigkeit ermöglicht Experimente bei niedrigen Energien in kleinen Labors, bei denen sich möglicherweise Effekte der „neuen Physik“ beobachten lassen.Zwar ist dies bislang noch nicht gelungen. Allerdings gehen Wissenschaftler davon aus, dass die entsprechenden Technologien bereits in naher Zukunft noch präziser und leistungsfähiger werden. Man wird sie dafür nutzen, um dem Standardmodell sowie der Relativitätstheorie „kritische“ Fragen zu stellen.

Es wäre den Forschern zu wünschen, dass sie mit diesen vergleichsweisen preiswerten Experimenten tatsächlich zu neuen, fundamentalen Erkenntnissen gelangen zu können. Denn angesichts der wegen diverser Krisen angespannten Weltwirtschaftslage ist es vorerst recht fraglich, ob sich noch größere Teilchenbeschleuniger als der LHC überhaupt noch finanzieren lassen.

Zusammenfassung

Das Standardmodell der Teilchenphysik, eine der wichtigsten Errungenschaften in der Physik des 20. Jahrhunderts, steht angesichts neuer Erkenntnisse und ungelöster Rätsel vor großen Herausforderungen.

Die Zukunft der Teilchenphysik könnte in der Entwicklung einer neuen, umfassenderen Theorie liegen, die sowohl die bekannten als auch die mysteriösen Aspekte des Universums erklären kann.

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