Suche nach noch schwereren Elementarteilchen am LHC

Teilchenphysik : Ein Hubbel jenseits des Standardmodells

Auffällige Messdaten des CERN elektrisieren die Gemeinde der Teilchenphysiker. Stellt sich das Signal als echt heraus, würde dies ein völlig unerwartetes Teilchen und ganz neue Physik bedeuten. Noch diesen Sommer sollen weitere Messungen die Entscheidung bringen.

von Dirk Eidemüller

Photonenpaar mit 750 GeV Energie — © Thomas McCauley, CERN 2015, for the benefit of the CMS Collaboration (Ausschnitt)

Es brodelt heftig in der Teilchenphysik. Seit der Bekanntgabe eines verdächtigen Signals beim Europäischen Kernforschungszentrum CERN im Dezember 2015 durch die Teams der Detektoren CMS und Atlas sind im letzten Halbjahr über 300 theoretische Studien erschienen, die allesamt Bezug auf den seltsamen Hubbel in den Daten nehmen. Dieser ist zwar noch ganz klein. Sollte er jedoch wachsen, könnte er die größte Revolution in der Teilchenphysik seit Jahrzehnten auslösen. Statt mit einem Vorboten ganz neuer Physik könnte man es allerdings auch nur mit einer zufälligen statistischen Fluktuation in den Messdaten zu tun haben. Was hinter dem Hubbel steckt, wird sich wohl bald herausstellen, denn der Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) am CERN sammelt nach seiner jährlichen Winterpause jetzt erneut Daten.

Mitte Mai hat die riesige Maschine den Betrieb wieder aufgenommen. Nach kurzer Unterbrechung und einigen Ausbesserungsarbeiten läuft der LHC nun mit einer Energie von 13 Teraelektronvolt (TeV) und damit nur noch knapp unterhalb der Maximalenergie, für die er ausgelegt ist. Mit dieser enormen Energie kreisen Protonen – die Kerne von Wasserstoffatomen – im 27 Kilometer umfassenden Ring. Tiefgekühlte, supraleitende Magnete halten sie in der Spur. Ein Protonenstrahl läuft dabei im Uhrzeigersinn, ein anderer entgegengesetzt. An einigen Stellen befinden sich Kollisionspunkte, an denen die Strahlen aufeinandertreffen. Dort registrieren die haushohen Detektoren möglichst präzise jedes Trümmerstück dieser Kollisionen.

Ganz einfach läuft so eine Wiederinbetriebnahme nicht ab. In den Protonenstrahlen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit im Kreis laufen, ist sehr viel Energie gespeichert, die gewaltigen Schaden anrichten kann, wenn etwas schiefgeht. Die Techniker müssen sich zunächst sicher sein, dass das Kühl- und Magnetsystem und die Vakuumpumpen die perfekten Bedingungen für den Strahl liefern, bevor sie dann häppchenweise die Protonen in den Beschleunigerring einspeisen und auf hohe Energien beschleunigen. Dabei kann einiges misslingen: Anfang Mai etwa hatte sich ein Wiesel in eine überirdische Trafostation geschlichen und wollte sich an einem Hochspannungskabel gütlich tun. Das bekam beiden schlecht und verzögerte das Anlaufen des Beschleunigers um einige Tage. Und in der letzten Betriebsperiode, die bis November 2015 lief, hatte sich einer der Magnete, die die Teilchenstrahlen bündeln sollen, zu sehr aufgeheizt. Dadurch arbeitete er nicht mehr sauber, weshalb die Rate an Teilchenkollisionen sank und die Wissenschaftler weniger Daten nehmen konnten.

"Endlich hat die spannendste Zeit für neue Entdeckungen begonnen"

Doch diese Probleme sind nun behoben. Einige Eigenschaften des LHC sind zudem verbessert worden. "Dank einer optimierten Strahlbündelung und einer höheren Zahl an Protonenpaketen im Speicherring erwarten wir, sechsmal so viele Daten nehmen zu können wie im vergangenen Jahr", sagt Paris Sphicas, stellvertretender Sprecher des Forscherteams, das am CERN den CMS-Detektor betreibt. In den ersten Jahren, von 2010 bis 2013, lief der Beschleuniger noch mit einer Energie von gut der Hälfte der maximal erreichbaren Energie von 14 TeV. In einer zweijährigen Revision haben die CERN-Forscher den Beschleuniger dann auf 13 TeV gebracht.

Mit der nun verfügbaren hohen Kollisionsrate bei fast maximaler Energie hat endlich die spannendste Zeit für neue Entdeckungen begonnen. In den ersten Jahren nach seiner Fertigstellung wurde vom LHC vor allem erwartet, das Higgs-Teilchen zu finden, das allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Das Higgs, wie es Physiker kurz nennen, war das letzte Teilchen aus dem etablierten Baukasten der Teilchenphysik, dem so genannten Standardmodell. Dieses Modell ist zwar schon einige Jahrzehnte alt, hat sich in seinen Grenzen bislang aber stets als erfolgreich erwiesen. Das Standardmodell kann jedoch zum Beispiel überhaupt nicht erklären, woraus die rätselhafte Dunkle Materie besteht, die in unserem Universum deutlich mehr Masse aufweist als die uns bekannte normale Materie.

Photonenpaar am LHC | Das Bild zeigt eine Kollision, bei dem ein Di-Photon, also ein Paar aus zwei Lichtteilchen, entstanden ist. Der CMS-Detektor des LHC hat bei dem Ereignis für die Photonen insgesamt eine Energie von 750 GeV gemessen.

Viele Theoretiker arbeiten deshalb schon lange an Modellen, wie das Standardmodell zu erweitern wäre – nur müssen die theoretischen Physiker so lange im Nebel stochern, bis endlich handfeste experimentelle Daten vorliegen, die den Rahmen des Standardmodells sprengen. Bislang hat es die Natur nicht gut mit den Theoretikern gemeint: Das Standardmodell mag seine Mängel und Grenzen haben, aber experimentell hat es sich bislang stets bewährt.

Das könnte sich nun ändern. Der neue Hubbel in den Daten könnte die Teilchenphysik auf den Kopf stellen. Bei einer Energie von 750 Gigaelektronvolt (GeV) scheinen gehäuft Paare von Lichtteilchen zu entstehen, die dort so nicht erwartet wurden. Diese Energie entspricht gut dem Zwanzigstel der Strahlenergie und ungefähr der sechsfachen Masse des Higgs. Bei so hohen Energien betreten die Forscher neues Terrain.

"Es ist schwer vorstellbar, dass Standardprozesse einen solchen Ausschlag erzeugen", sagt Klaus Mönig, Teilchenphysiker am Deutschen Elektronen-Synchrotron. "Bei der Energie von 750 GeV ist im Standardmodell nichts Besonderes zu erwarten. Zudem sollte jeder Standardprozess eine breite Erhöhung und keine scharfe Spitze erzeugen. So etwas kann eigentlich nur ein neues Teilchen machen."

Daten noch dürftig

Atlas hat im betreffenden Energiebereich jedoch nur 40 Photonenpaare gemessen, der CMS-Detektor sogar nur zehn. Das ist so wenig, dass die Signifikanz deutlich zu gering ist, um von einer Entdeckung sprechen zu können. Rein rechnerisch aber ist das Signal jetzt schon zumindest bemerkenswert: Denn statistisch gesehen beträgt die Wahrscheinlichkeit für eine derartige Fluktuation gerade einmal 1 zu 10 000. Dieser Wert relativiert sich jedoch wieder, wenn man bedenkt, dass die Forscher am LHC Hunderte vergleichbarer Verteilungen nach Anomalien untersucht haben. Dass in einer von ihnen einmal eine besonders starke Fluktuation auftritt, ist letztlich nicht völlig unwahrscheinlich.

"Dieser Hinweis auf neue Physik – auch wenn der Hubbel sich vielleicht bloß als Zufall erweisen sollte – ist doch recht stark im Vergleich zu anderen, früheren Signalen, die bald wieder verschwunden sind", sagt Robert Garisto, der beim Fachblatt "Physical Review Letters" die Einsendungen zu diesen Messungen betreut.

Was die Teilchenphysiker besonders elektrisiert, ist die Tatsache, dass der Hubbel in den Daten nicht nur eines Detektors, sondern beider großer Detektoren zu sehen ist. Deshalb warten alle gespannt auf die frisch angelaufene Betriebsphase. "Bereits Mitte Juli 2016 sollte der LHC ähnlich viele Daten gesammelt haben wie im gesamten Jahr 2015", sagt Michael Peskin vom SLAC National Accelerator Laboratory im kalifornischen Menlo Park. "Wenn die Spitze dann noch einmal ähnlich stark bei derselben Energie auftaucht, ist es höchstwahrscheinlich ein echter Effekt." Falls nicht – oder falls ein ähnlicher Hubbel bei einer anderen Energie auftaucht –, handelt es sich mit großer Sicherheit doch nur um eine statistische Fluktuation.

Um was genau es sich bei dem Teilchen handeln könnte, ist derzeit noch völlig offen. Die theoretischen Ansätze dazu decken ein breites Spektrum ab. Das lässt sich auch an einer Auswahl von Artikeln ablesen, die "Physical Review Letters" für seine Leser zusammengestellt hat. Aus der großen Anzahl an Studien hat die Redaktion mit Hilfe externer Experten Mitte April vier besonders elegante oder originelle Ansätze herausgepickt, die aber gänzlich unterschiedliche Erklärungen geben.

Vier Theorien von Fachjournal präsentiert

Es könnte sich zum Beispiel um eine Art schweren Bruder des Higgs-Teilchens handeln. Einige Forscher favorisieren diese Idee, weil das Higgs-Teilchen ebenfalls eine verdächtige Signatur mit einem hochenergetischen Photonenpaar besitzt. Doch ebenso gut könnte es ein zusammengesetztes Teilchen aus exotischer, bislang noch nie nachgewiesener Materie sein. Viele Theoretiker erwarten bei solch hohen Energien auch erste Hinweise auf eine Theorie namens Supersymmetrie. Diesem Ansatz zufolge besitzt jedes unserer bekannten Materieteilchen ein unbekanntes und sehr viel schwereres Geschwisterteilchen. Zur Supersymmetrie gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher theoretischer Ansätze, die insbesondere die Natur der Dunklen Materie aufklären sollen. Vielleicht ist das Photonenpaar auch nur das einzig bislang sichtbare Restprodukt in der Zerfallskaskade eines wesentlich schwereren Teilchens. Das ist durchaus denkbar, da die verfügbare Strahlenergie deutlich höher ist als die 750 GeV des Photonenpaars. Manche Forscher hoffen sogar, das Teilchen könnte einen Weg zu Theorien mit zusätzlichen Dimensionen weisen und dadurch helfen, die Gravitation mit den anderen bekannten Naturkräften zu versöhnen.

Natürlich wünscht sich jeder der Wissenschaftler, die an neuen Theorien gearbeitet haben, sein Ansatz werde sich als korrekt erweisen. Um zwischen verschiedenen Theorien unterscheiden zu können, wird man aber noch ein wenig mehr Daten nehmen müssen. Denn der reine Nachweis eines neuen Teilchens ist noch keine präzise Vermessung seiner Eigenschaften. So ist das Higgs-Teilchen mittlerweile zwar klar in den Daten zu sehen. Aber wie es sich genau verhält und ob es wirklich exakt dem Higgs-Teilchen des Standardmodells entspricht, wird erst mit künftigen Daten zu ermitteln sein. Auch von Präzisionsmessungen am Higgs und an anderen schweren Teilchen versprechen sich Teilchenphysiker Hinweise auf neue Physik.

Im Gegensatz zu dem sich nun andeutenden neuen Teilchen hätte sowohl beim Higgs-Teilchen als auch bei den kürzlich nachgewiesenen Gravitationswellen die eigentliche Überraschung aber darin bestanden, sie nicht zu finden. Mit immer ausgefeilterer Technik und ständig weiterentwickelten Suchmethoden war es in gewisser Hinsicht nur eine Frage der Zeit, bis der Nachweis beider physikalischen Phänomene schließlich glücken würde. In der Tat lagen für den Fall, dass das Higgs-Teilchen oder die Gravitationswellen nicht aufgetaucht wären oder dass sie andere Eigenschaften aufgewiesen hätten als von der Theorie gefordert, schon einige alternative Theorien in den Schubladen, die eine Begründung dafür geliefert hätten. Solange also kein gänzlich unerwartetes Signal – wie etwa der Hubbel vom letzten Dezember – auftaucht, besteht die einzige Chance für Hinweise auf neue Physik darin, exotische Phänomene wie die Gravitationswellen oder den Zerfall des Higgs-Teilchens oder anderer instabiler Elementarteilchen möglichst präzise zu vermessen und auf Diskrepanzen mit der heute bekannten Theorie zu untersuchen.

Dass ein unerwartetes Teilchen die Grundlagen der Physik erschütterte, geschah zuletzt im Jahr 1974. Damals entdeckten zwei Forschergruppen am Stanford Linear Accelerator Center und am Brookhaven National Laboratory fast zeitgleich das so genannte J/ψ-Meson. In ihm steckt ein damals noch unbekanntes Elementarteilchen, das Charm-Quark. Dieses Quark wurde zwar von einigen Theorien postuliert. Das J/ψ-Meson – bestehend aus einem Charm-Quark und dessen Antiteilchen, einem Anti-Charm-Quark – war dennoch eine große Überraschung und brachte das Standardmodell der Teilchenphysik deutlich voran.

Die Forscher konnten ihre Messergebnisse seinerzeit kaum glauben und überprüften ihre Daten monatelang, bevor sie sich damit schließlich an die Öffentlichkeit wagten. In der heutigen, schnelllebigeren Zeit ist mit ernsthaften Gerüchten über eine Revolution in der Physik vermutlich schon vor der großen Internationalen Konferenz für Teilchenphysik ICHEP zu rechnen, die Anfang August 2016 in Chicago stattfindet und auf der die Forscher von Atlas und CMS üblicherweise neue Daten offiziell bekannt geben.