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Teilchenphysik: Drei Sigma jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen

Entdeckungsaufnahme des W-Bosons
Mit einem unerwarteten Messergebnis sorgte ein internationales Forscherteam der CDF-Kollaboration am Mittwoch im Forschungszentrum Fermilab für Aufsehen. Am Teilchenbeschleuniger Tevatron, den das Fermilab im US-Bundesstaat Illinois betreibt, hatten die Physiker eine Reaktion beobachtet, deren Eigenschaften nach ihrer Ansicht aus dem Bereich des Standardmodells der Elementarteilchen herausführen könnten.

In dem Beschleuniger ließen die Forscher Protonen und Antiprotonen mit einer Energie von 1,96 Teraelektronvolt aufeinanderprallen, um damit eine spezielle Teilchenreaktion zu beobachten, an der die schwache Kernkraft beteiligt ist. Diese Kraft ist von sehr kurzer Reichweite und wird von schweren Botenteilchen übertragen, den W- und Z-Bosonen. Bei der im Tevatron herbeigeführten Protonen-Antiprotonen-Kollision entstanden ein W-Boson und darüber hinaus zwei gebündelte Strahlen so genannter hadronischer Teilchen. Hadronen sind, wie die eingeschossenen Protonen und Antiprotonen, aus fundamentalen Teilchen, den Quarks, aufgebaut.

Ein rätselhaftes Signal | In der Massenverteilung der am Tevatron erzeugten Partikel kennzeichnen die schwarzen Punkte die Messdaten. Die rote Kurve stellt den nach dem Standmodell der Elementarteilchenphysik erwarteten Hintergrund dar, wobei der rot schraffierte Bereich die statistische Unsicherheit angibt. Das an die Daten angepasste dunkelblaue Histogramm entspricht dem unerwarteten Signal.
Aus den erhaltenen Messdaten leitete das Team die Massenverteilung der bei der Kollision erzeugten Partikel ab. In dieser Verteilung fanden sie ein unerwartetes Maximum bei einer Energie von 144 Gigaelektronenvolt (siehe Diagramm). Dieses Signal betrachten die Forscher als signifikant: Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich dabei nur um eine zufällige statistische Schwankung handele, betrage 1 zu 1375, was einer Standardabweichung von etwas mehr als 3 Sigma entspricht. Allerdings räumen die beteiligten Forscher gleich ein, dass Teilchenphysiker ein 5-Sigma-Ergebnis als Entdeckung betrachteten.

Um zu ihren Ergebnissen zu kommen, mussten die Forscher während der Auswertung einen Hintergrund subtrahieren, der das gesuchte Signal ähnlich stört wie ein rauschender Wasserfall, der ein leises Gespräch übertönt. Unter den geschilderten Voraussetzungen sei das dabei erhaltene Ergebnis signifikant, so die Forscher.

Weniger zugeknöpft geben sich Sprecher des Teams dagegen auf der Website des Fermilab: "Das zusätzliche Signal könnte durch die Erzeugung eines neuen, unbekannten Partikels erklärt werden, das vom Standardmodell nicht vorhergesagt wird." Einschränkungen lassen jedoch nicht lange auf sich warten, denn eine "weniger glamouröse" Alternative sehen die Beteiligten darin, die bei ihren Messungen angewandte Methode der Hintergrundsubtraktion zu hinterfragen.

Das Team beabsichtigt nun, die bisherige Analyse mit einer größeren Datenmenge zu wiederholen und auf diese Weise zu prüfen, ob das Ergebnis Bestand hat. Außerdem blickt man hoffnungsvoll über den großen Teich nach Europa: Sollte sich das Ergebnis als richtig erweisen, dann müsste es sich mit Daten vom Large Hadron Collider in Genf reproduzieren lassen. (mn)

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  • Quellen
Aaltonen, T. et al.: Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV". arXiv:1104.0699, 2011

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