Physik : Auf der Suche nach der fünften Kraft

Das Weltbild der Physik ist unvollständig. Wurde ein neues Element entdeckt? Das neue Teilchen müsste auch am Large Hadron Collider (LHC) in Genf detektiert werden - die Prüfungen laufen bereits.

Christian Meier
Feuerwerk. Mit bloßem Auge lassen sich Kollisionen von Elementarteilchen nicht beobachten. Die Crashs sind zu schnell, die Partikel zu klein. Physiker behelfen sich dann mit Computersimulationen.
Feuerwerk. Mit bloßem Auge lassen sich Kollisionen von Elementarteilchen nicht beobachten. Die Crashs sind zu schnell, die...Foto: Cern

Teilchenphysiker müssen stets auf Überraschungen gefasst sein. Denn obwohl sie in den vergangenen Jahrezehnten beachtliche Entdeckungen gemacht haben, ist ihr Weltbild noch immer unvollständig. Wesentliche Phänomene im Universum können sie einfach nicht erklären. Etwa warum es darin fast nur Materie gibt und kaum Antimaterie, obwohl beides beim Urknall in fast gleichen Mengen entstanden sein muss.

Deshalb halten viele von ihnen die Zeit überreif für die Entdeckung neuer Elementarteilchen oder einer neuen fundamentalen Kraft. Sie setzen auf Messungen mächtiger Teilchenbeschleuniger wie des Tevatron in Batavia (Illinois). Je mehr Daten gesammelt werden, desto klarer müssten die Spuren neuer Elementarteilchen oder neuer Kräfte darin zu erkennen sein, wie bei einem Trampelpfad, der sich durch die wiederholte Nutzung immer deutlicher vom umgebenden Gras abzeichnet.

So verwundert es kaum, dass Spekulationen ins Kraut schießen, sobald ungewöhnliche Messwerte registriert werden. So geschehen vorletzte Woche. Wie berichtet, hatten Physiker am Tevatron verkündet, sie hätten wahrscheinlich den Zerfall eines neuen Elementarteilchens entdeckt. Umgehend meldeten sich Skeptiker, denn die Signifikanz mit der die ungewöhnlichen Messwerte vom Erwarteten abweichen, lag deutlich unterhalb jener Grenze, die Teilchenphysiker als Entdeckung anerkennen. Auf dem Trampelpfad wächst quasi noch zu viel Gras.

„Solche Abweichungen habe ich in meinem Forscherleben zu oft erlebt, um vorschnell an eine neue Entdeckung zu glauben“, sagt der am Tevatron forschende Teilchenphysiker Thomas Müller vom Karlsruher Institut für Technologie. Es könne sich um einen unverstandenen Effekt des sehr komplex aufgebauten CDF-Detektors (Collider Detector at Fermilab) handeln, der die Unregelmäßigkeit registrierte. Aber er wolle nichts ausschließen: „Wir wissen einfach nicht, was die Natur für uns in petto hat.“

Um sicher zu gehen müssten jetzt andere Detektoren die Messwerte überprüfen, erläutert der Physiker. Weil sie anders aufgebaut seien, würden sie einen unverstandenen Detektoreffekt nicht reproduzieren. Eine echte Entdeckung neuer physikalischer Phänomene hingegen schon.

Tatsächlich laufen die Prüfungen bereits. Am Large Hadron Collider (LHC) in Genf rechnet Guido Tonelli, Sprecher des Forscherteams, das einen der vier großen dortigen Teilchendetektoren betreut, innerhalb von zwei bis drei Monaten mit einem Ergebnis. Auch am zweiten Teilchendetektor am Tevatron, dem „D0“-Detektor, suchen die Wissenschaftler dem Vernehmen nach schon fieberhaft nach der Spur der vermeintlichen Neuentdeckung.

Unterdessen versuchen theoretische Physiker die Messergebnisse zu erklären. Ihrer Ansicht nach fehlt noch eine Grundkraft im Universum. Vier davon sind bislang bekannt. Die Gravitationskraft ist bei weitem die schwächste. Sie wirkt zwischen Massen und hat eine unendliche Reichweite. Trotz ihrer relativen Schwäche hält sie Planeten auf ihren Umlaufbahnen und zeichnet die Spiralformen von Galaxien in den Himmel. Auch die elektromagnetische Kraft hat eine unendliche Reichweite, sie ist aber viel stärker als die Gravitation. Ohne sie würden wir vom Universum kaum etwas wahrnehmen, denn ihr liegt das Phänomen des Lichtes zugrunde. Außerdem basieren Elektrizität oder Chemie auf dieser Kraft.

Die beiden Kernkräfte hingegen können Menschen nicht wahrnehmen. Ihre Reichweiten erstrecken sich nicht einmal über die Größe eines Atomkerns. Die schwache Kraft ist trotz ihres Namens stärker als die Gravitationskraft und verantwortlich für bestimmte Arten der Radioaktivität. Die Starke Kraft schließlich ist der Herkules des Quartetts. Sie wirkt zwischen den Quarks, jenen Elementarteilchen, aus denen sich Protonen und Neutronen zusammensetzen, und hält auch die Atomkerne zusammen. Atomkraftwerke machen ihre Macht nutzbar.

Viele Phänomene im Universum lassen sich mit diesen vier Kräften erklären – aber eben nicht alle. Das extreme Übergewicht der Materie über der Antimaterie beispielsweise. Sie ist eine Form von Asymmetrie, die es unmittelbar nach dem Urknall nicht gegeben hat. „Auch bei den Grundkräften gibt es eine Asymmetrie“, sagt Müller. Die schwache Kraft wirkt nur zwischen Teilchen, die sich entlang ihrer Bewegungsrichtung gesehen links um ihre eigene Achse drehen. „Wir wissen nicht, warum das so ist“, sagt der Forscher. Teilchenphysiker spekulieren, dass bei hohen Energien, wie sie kurz nach dem Urknall existierten, eine weitere Kraft auch rechtsdrehende Teilchen miteinander wechselwirken ließ, dass die Asymmetrie also nicht vorhanden war.

Bei den hohen Energien im Tevatron-Beschleuniger könnte eine solche fünfte Kraft wirksam sein. Sie würde sich in Form eines neuen Teilchens, das zur Teilchenklasse der „Bosonen“ gehört, manifestieren. Solche Bosonen verkörpern auch drei der anderen Kräfte, bis auf die Gravitation. Sie vermitteln die Kraft zwischen zwei Teilchen, indem sie von dem einen zum anderen hinüberwechseln.

„Mit einer solchen Entdeckung würden wir die Asymmetrie der schwachen Kraft auflösen können“, sagt Müller. Und das würde vielleicht auch bei der Erklärung der großen Asymmetrie im Universum helfen.

Vorausgesetzt, das Teilchen gibt es wirklich.

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