Wann immer es große Neuigkeiten in der Welt der Physik gibt, reagieren die meisten von uns mit einer merkwürdigen Mischung aus nerdiger Aufregung und völliger Verwirrung über die seltsamen, schwindelerregenden Details. Genau das ist gestern passiert. Forscher des Fermilab in der Nähe von Chicago gaben die Ergebnisse eines Experiments bekannt, das darauf hindeutet, dass eine brandneue Naturkraft in ihren Erkenntnissen am Werk sein könnte.
Ein internationales Team von Physikern untersuchte das Verhalten von kurzlebigen subatomaren Teilchen namens Myonen. Sie schickten sie um einen Teilchenbeschleuniger herum und beobachteten genau, was passiert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Die kurze Erklärung ist, dass sie nicht das getan haben, was sie tun sollten.
Das Standardmodell der Teilchenphysik, die beste Blaupause, die wir haben, um die Bausteine der Realität zu verstehen, sagt voraus, dass die Myonen auf eine bestimmte Weise „gewobbelt“ haben sollten, obwohl sie tatsächlich auf eine andere Weise gewackelt haben. Dies bestätigte eine weitere jahrzehntealte Erkenntnis und versetzte Physiker überall – besonders aber auf Twitter – in helle Aufregung.
Wieso den? Denn wenn es nicht im Standardmodell enthalten ist, impliziert es etwas ganz Neues in unserem Verständnis des Universums. Es könnte ein neues subatomares Teilchen sein, wie das Higgs-Boson, das 2013 mit viel Aufsehen entdeckt wurde. Oder es könnte eine neue fundamentale Kraft der Natur sein (brillant die Geschmackskraft genannt), die neben Schwerkraft, Magnetismus und dem Starken sitzen würde und schwache nukleare Kräfte, die subatomare Teilchen beeinflussen.
Wie auch immer, es ist neu, es ist verrückt und der Versuch, sich darum zu kümmern, kann möglicherweise Migräne auslösen. Aus diesem Grund haben wir Professor Jon Butterworth angerufen, Teilchenphysiker an der UCL, der Experimente mit dem Large Hadron Collider in der Schweiz durchführt. Hier ist sein Bluffer's Guide zu Myonen und wie sie unser Verständnis von, nun ja, allem erweitern könnten.
Was sind Myonen?
Das Myon ist im Wesentlichen dasselbe wie ein normales Elektron, abgesehen davon, dass es schwerer ist. Es hat mehr Masse. Sie sind an und für sich nicht neu. Sie wurden zum ersten Mal vor langer Zeit – Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts – in kosmischer Strahlung – hochenergetischen Teilchen in der oberen Atmosphäre – gesehen. Wir kennen sie also schon eine Weile.
Dieses Experiment betrachtete sie besonders aus einer magnetischen Perspektive, richtig?
Ja. Alle Teilchen, einschließlich Myonen und Elektronen, tragen einen Drehimpuls. Sie drehen sich. Das gibt ihnen das, was wir einen magnetischen Dipol nennen – im Grunde einen Nord- und Südpol. Und es sind die Wechselwirkungen dieses Dipols, die sie studiert haben. Die Art und Weise, wie Sie Dipole charakterisieren, wird als magnetisches Moment bezeichnet:Es geht nur darum, wie groß das Magnetfeld ist, das ein Ding hat, weil es sich dreht? Das Myon hat die falsche Größe. Das ist kurz und knapp.
Sie können diesen Dipol in unserem Standardmodell der Physik sehr genau berechnen. Tatsächlich war dies für das Elektron einer der Maßstäbe, eine Art Aushängeschild dafür, wie erstaunlich die Präzision dieser Theorie wirklich ist. Sie versuchen im Grunde, das für das Myon zu reproduzieren. Sowohl die Messung als auch die Berechnung sind superpräzise, aber sie stimmen nicht ganz überein und dieses Experiment hat diese Diskrepanz im Grunde bestätigt.
Und das impliziert, dass es eine neue Naturgewalt gibt?
Ja ... Nun, wir wissen nicht wirklich, was es bedeutet, aber für bare Münze genommen bedeutet es, dass etwas vor sich geht, das nicht im Standardmodell enthalten ist, was eine neue Kraft oder ein neues Teilchen bedeutet.
Wird diese neue Kraft – falls es eine neue Kraft ist – wahrscheinlich einen greifbaren Einfluss darauf haben, wie wir die Welt erleben?
Es ist unwahrscheinlich, dass es im Alltag auftaucht. Es wird sich auf Dinge auswirken, die wir mit unserer Wissenschaft beobachten. Unser Verständnis der grundlegenden Bestandteile der Natur lässt einige Dinge unbeantwortet. Eines der Dinge, die es unbeantwortet lässt, ist, warum es im Universum nicht die gleiche Menge an Materie und Antimaterie gibt. Es scheint hauptsächlich Materie zu sein, aber die Kräfte sind völlig symmetrisch.
Was wir tun, wenn wir versuchen, Löcher im Standardmodell zu finden und nach Anomalien wie dieser zu suchen, ist, dass wir versuchen, nach Hinweisen auf diese Dinge zu suchen, die das Standardmodell nicht beantwortet. Das kann also helfen, das zu beantworten. Und so gesehen hat das einen ziemlich großen Einfluss auf das tägliche Leben, denn es könnte erklären, warum wir ein tägliches Leben haben! Andererseits wird es nicht etwas sein, das morgen ein neues Auto oder so etwas herstellt.
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Warum wird es Geschmackskraft genannt?
Geschmack ist der Name, den wir dem Unterschied zwischen Elektronen und Myonen geben. Das Standardmodell gibt es in drei „Generationen“ – es gibt ein Elektron, ein Myon und ein Tau, das noch schwerer als ein Myon ist. Der Geschmack ist der Unterschied zwischen ihnen, daher wird er Geschmackskraft genannt, weil dieser Effekt das Elektron eindeutig anders beeinflusst als das Myon. Es kommt auf den Geschmack an.
Erst vor ein paar Wochen gab es eine Aufregung vom CERN und vom LHC, die auch darauf hindeutete, dass es einen Unterschied zwischen Elektronen und Myonen gibt. Das war eine ganz andere Messung, die nichts mit magnetischem Moment zu tun hatte, sondern mit dem Zerfall eines seltenen Teilchens, das ein Bottom-Quark enthält. Interessant war wieder, dass das Standardmodell besagte, dass sich Elektronen und Myonen gleich verhalten sollten, und in diesem Fall taten sie es nicht.
Die Leute sind aufgeregt, dass diese Strohhalme im Wind alle in die gleiche Richtung wehen, im gleichen Wind. Und dieser Wind ist eine Art Geschmackskraft. Eine Kraft, die vom Geschmack abhängt.
War dies etwas, das Physiker aktiv suchten, wie das Higgs-Boson?
Nicht wirklich. In gewisser Weise ist es das gleiche, dass es im Standardmodell eine Vorhersage gibt, gehen Sie und sehen Sie, ob es richtig ist. Das ist Grundlagenwissenschaft. Das Standardmodell sagte voraus, dass Higgs dort sein würde, also gingen wir hin und suchten danach. Das Standardmodell sagt auch sehr genau voraus, wie das magnetische Moment des Myons sein sollte, also überprüfen wir diese Vorhersage. Das ist hier passiert.
Der Unterschied zum Higgs ist, das Standardmodell war richtig und wir haben es gefunden. In diesem Fall ist es keine völlig neue Sache, aber es stimmt nicht mit dem überein, was das Standardmodell vorhersagt. In diesem Sinne ist es also spannender.
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Ist das Standardmodell dann in Schwierigkeiten? Was sind die Folgen davon?
Nun, wir alle hoffen, dass es in gewisser Weise so ist. Wir wissen, dass das Standardmodell eine effektive Theorie ist, aber wir wissen auch, dass es nicht die ultimative Theorie ist, wegen dieser Dinge, die es nicht erklärt, wie das Materie/Antimaterie-Ding. Wann immer wir etwas sehen, das nicht ganz zum Standardmodell passt, hoffen wir, dass es ein Hinweis auf eine bessere Theorie ist – eine, die immer noch das Standardmodell enthält.
Die Analogie, die die Leute oft verwenden, ist Einstein und Newton. Newtons Kraft- und Bewegungsgesetze waren nicht ganz falsch. Sie sind in Einsteins Relativitätstheorie enthalten. Dasselbe gilt unserer Meinung nach auch für das Standardmodell. Es ist eine effektive Theorie, die offensichtlich sehr gut für alles funktioniert, was wir bisher gemessen haben. Wir hoffen, dass es zu einem anderen Modell führt, das einige der Dinge erklärt, die das Standardmodell nicht erklärt.
Das sind also gute Neuigkeiten.
Definitiv gute Nachrichten. Wir mögen so etwas, weil es der Fortschritt der Wissenschaft ist. Isaac Asimov sagte:"Der beste Ausdruck in der Wissenschaft ist nicht Heureka, sondern Hm, das ist lustig." Das ist definitiv ein etwas komischer Moment. Wir haben diese Anomalie seit 10 Jahren und sie wurde gerade durch ein weiteres Experiment bestätigt. Es wird immer lustiger, sagen wir mal.
Dann ist es nicht ganz neu?
Diese Messung ist brandneu, aber eine andere Messung wurde vor etwa einem Jahrzehnt durchgeführt, die die gleiche Art von Diskrepanz ergab. Eine Messung ist nie genug. Sie mussten die Ausrüstung von Long Island nach Chicago transportieren, wo sie eine bessere Messung durchführen konnten, im Grunde weil sie mehr Myonen haben. Dies ist eine unabhängige Messung und liefert das gleiche Ergebnis, und deshalb werden die Leute immer aufgeregter. Und in den nächsten Jahren wird es wiederholt und die Messung soll genauer werden. Im Grunde mehr Myonen, da Myonen zerfallen, ist es ziemlich schwierig, sie einzufangen und zu speichern.
Zieht schon jemand voreilige Schlüsse darüber, was das sein könnte?
Oh ja. Theoretiker ziehen immer voreilige Schlüsse! Das Problem ist, dass jeder vorschnell zu anderen Schlussfolgerungen kommt, sodass es noch keinen Konsens gibt. Es ist nicht so, als wir eine Beule sahen und alle dachten:‚Das ist das Higgs-Boson.' Heute morgen kursieren jede Menge Tiertheorien.