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Neue Experimente am LHC: Das Standardmodell der Teilchenphysik hält – mal wieder

Vor einigen Jahren stießen Forscher am CERN auf Anomalien bei Teilchenkollisionen, die auf eine »neue Physik« hindeuteten. Nun zeigt sich: Die Hoffnung auf einen Durchbruch war verfrüht.
Ein Teil des Large Hadron Collider (LHC) ist unterirdisch im französischen Teil des CERN zu sehen.
Ein Teil des Large Hadron Collider (LHC) ist unterirdisch im französischen Teil des CERN zu sehen.

Ein viel versprechender Hinweis auf eine mögliche »neue Physik«, der sich in Experimenten am Large Hadron Collider (LHC) zeigte, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, hat sich in Luft aufgelöst und Hoffnungen auf eine bedeutende Entdeckung zunichtegemacht. Vor einigen Jahren waren die Physikerinnen und Physiker am CERN in Genf auf einen unerwarteten Unterschied im Verhalten von Elektronen und ihren massereicheren Vettern, den Myonen, gestoßen, wenn sie aus dem Zerfall bestimmter Teilchen hervorgehen: Myonen waren dabei augenscheinlich etwas seltener entstanden als Elektronen – ein Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik, da solch eine Diskrepanz gegen die so genannte Leptonen-Universalität verstoßen würde. Die jüngsten Ergebnisse des LHCb-Experiments deuten nun allerdings darauf hin, dass Elektronen und Myonen doch im gleichen Verhältnis erzeugt werden.

»Meinem ersten Eindruck nach ist die Analyse viel robuster als zuvor«, sagt die experimentelle Teilchenphysikerin Florencia Canelli von der Universität Zürich in der Schweiz, die an einem anderen LHC-Experiment beteiligt ist. Es habe sich nun gezeigt, dass eine Reihe überraschender Feinheiten zu der scheinbaren Anomalie führte, erklärt sie. Renato Quagliani, LHCb-Physiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL) in Lausanne, stellte die Ergebnisse am 20. Dezember am CERN in einem Seminar vor, das auch online von mehr als 700 Zuschauern besucht wurde. Zudem veröffentlichte die LHCb-Kollaboration zwei Vorabdrucke auf dem arXiv-Server.

Das LHCb-Team berichtete erstmals 2014 über eine geringfügige Abweichung bei der Produktion von Myonen und Elektronen. Wenn Protonen miteinander kollidieren, erzeugen sie massereiche Teilchen namens B-Mesonen, die üblicherweise schnell zerfallen. Das häufigste Zerfallsmuster erzeugt eine andere Art von Meson, ein so genanntes Kaon, sowie Paare von Teilchen und Antiteilchen – entweder ein Elektron und ein Positron oder ein Myon und ein Antimyon. Das Standardmodell sagt voraus, dass beide Arten von Paaren gleich häufig auftreten sollten, aber die LHCb-Daten deuteten darauf hin, dass die Elektron-Positron-Paare etwas häufiger vorkommen.

Elektronen, die gar keine waren

Teilchenphysikalische Experimente liefern häufig Ergebnisse, die leicht vom Standardmodell abweichen, sich dann jedoch als statistische Zufallstreffer erweisen, wenn Forscherinnen und Forscher mehr Daten sammeln. Die B-Mesonen-Anomalie schien in den folgenden Jahren allerdings immer auffälliger zu werden, und eine Reihe verwandter Messungen an B-Mesonen zeigte ebenfalls Abweichungen von den theoretischen Vorhersagen, die auf dem Standardmodell der Teilchenphysik basieren.

Die neuesten Ergebnisse umfassen mehr Daten als die früheren LHCb-Messungen der B-Mesonen-Zerfälle und nehmen zugleich mögliche Störfaktoren genauer in den Blick. So ließen sich die offensichtlichen Diskrepanzen bei den früheren Messungen mit Kaonen zum Teil darauf zurückführen, dass einige andere Teilchen fälschlicherweise als Elektronen identifiziert worden seien, sagt LHCb-Sprecher Chris Parkes, Physiker an der University of Manchester in Großbritannien. Während die LHC-Experimente gut darin sind, Myonen aufzuspüren, ist es für sie schwieriger, Elektronen zu entdecken.

Das Ergebnis dürfte viele Theoretiker enttäuschen, die viel Zeit damit verbrachten, Modelle zu entwickeln, die die Anomalien erklären könnten. »Ich bin mir sicher, dass die Leute gerne einen Fehler im Standardmodell gefunden hätten«, sagt Parkes, aber letztlich »macht man die beste Analyse mit den Daten, die man hat, und sieht, was die Natur einem gibt. So funktioniert Wissenschaft wirklich.«

»Noch ist nicht alles verloren«

Obwohl bereits seit Monaten darüber gemunkelt wurde, seien die jüngsten Ergebnisse überraschend gekommen, sagt der theoretische Physiker Gino Isidori von der Universität Zürich. Es schien sich ein kohärentes Bild aus verwandten Anomalien zu ergeben. Dies hätte auf die Existenz von bisher unbekannten Elementarteilchen hindeuten können, die den Zerfall von B-Mesonen beeinflussen. Isidori lobt die LHCb-Kollaboration dafür, dass sie die Probleme mit ihren früheren Analysen so »ehrlich« zugegeben hat. Gleichzeitig bedauert er jedoch, dass man die Schwierigkeiten nicht früher fand.

Andererseits könnten sich einige der anderen Anomalien, auch bei B-Mesonen-Zerfällen, die keine Kaonen enthalten, immer noch als echt herausstellen, fügt Isidori hinzu: »Noch ist nicht alles verloren.« Die Experimentalphysikerin Marcella Bona von der Queen Mary University of London, die an einem weiteren LHC-Experiment beteiligt ist, stimmt dem zu. »Es sieht so aus, als würden die Theoretiker bereits darüber nachdenken, wie sie sich trösten und neu orientieren können.«

Zu den verbleibenden hoffnungsvollen Hinweisen auf neue Physik gehört eine im April 2022 bekannt gegebene Messung, bei der sich die Masse des W-Bosons als etwas größer als erwartet herausstellte. Eine andere Anomalie, die Myonen betrifft, könnte sich hingegen ebenfalls in Luft auflösen: Das magnetische Moment des Myons schien stärker zu sein als vom Standardmodell vorhergesagt; die neuesten theoretischen Berechnungen lassen allerdings vermuten, dass dies doch nicht der Fall ist. Stattdessen könnte die Diskrepanz auf eine Fehlberechnung der Vorhersagen des Standardmodells zurückzuführen sein.

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