26.04.2021

Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells?

Am CERN haben Forscher/innen vor Kurzem anhand seltener Zerfälle in ihren Teilchenkollisionen die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Top Quarks bestimmt. Die gewonnenen Ergebnisse weichen geringfügig von den Erwartungen des Standardmodells der Physik ab. ÖAW-Forscher Robert Schöfbeck ist mit seinem Team an den Experimenten beteiligt. Er erklärt, wie die abweichenden Daten zu interpretieren sind.

In einem 26,7 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel werden am CERN Teilchen beschleunigt und zur Kollision gebracht. © CERN/ Maximilien Brice

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle uns bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Durch Experimente mit Teilchenbeschleunigern, wie dem Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN in der Schweiz, wurde das Modell in den letzten Jahren Stück für Stück vervollständigt. Allerdings: Es gibt auch eine Reihe offener Fragen, die es bislang nicht beantworten kann. Und zuletzt wurden bei Experimenten in Europa als auch den USA Abweichungen beobachtet. Für diese Abweichungen spielt am CERN das sogenannte Top Quark eine wesentliche Rolle.

Das Top Quark ist mit dem etwa 170-fachen der Protonenmasse das mit Abstand schwerste Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik. Diese Extremposition macht es attraktiv als Prüfstein für das Modell, wegen der hohen Masse ist das Top Quark aber auch nur bei hohen Energien beobachtbar. Am CERN können Forscher/innen durch die Kollision von Protonen die entsprechenden Bedingungen herstellen, die Untersuchung von Top Quarks ist aber ein komplizierter Prozess.

“Weil Protonen nicht elementar sind, sondern aus Up- und Down-Quarks sowie Gluonen bestehen, sind die Ergebnisse der Kollision immer stochastisch. Je nachdem, welche Teilchen im Proton an der Reaktion teilnehmen, können verschiedene Prozesse ablaufen. Die Wahrscheinlichkeiten dafür sind genau berechenbar”, erklärt Robert Schöfbeck vom Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Ein relativ seltenes Ergebnis einer Protonenkollision sind ein Paar von Top Quarks und ein Photon.

Genauer Blick auf das Top Quark

“Wir haben Daten von etwa 100 Millionen Kollisionen, bei denen ein Top Quark-Paar entstanden ist. In etwa einer von 3.000 dieser Kollisionen finden wir neben dem Quarkpaar auch ein Photon. Die Wechselwirkungen ermöglichen uns, einen genaueren Blick auf das Top Quark zu werfen”, erläutert Schöfbeck. Das Spektrum der Energien der Photonen aus diesen Ereignissen erlaubt Rückschlüsse auf das elektrische und magnetische Dipolmoment der Top Quarks. Die Dipolmomente beschreiben, wie stark das Top Quark von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflusst wird. Das physikalische Standardmodell sagt voraus, dass die Werte extrem gering sein sollten.

“In unseren Daten finden wir einen leichten Überschuss an Photonen mit hoher Energie, der Dipolmomenten entsprechen würde, die etwas über den Prognosen des Standardmodells liegen”, sagt Schöfbeck. Allerdings sind die Daten derzeit noch nicht gut genug, um den Effekt mit Sicherheit bestätigen zu können. Genauere Untersuchungen, die im Rahmen der nächsten Runde an Experimenten am LHC vorgenommen werden, müssen klären, ob es sich um ein statistisches Artefakt handelt, oder ob tatsächlich Physik jenseits des Standardmodells am Werk ist. 

Neue Grundkraft oder statistisches Artefakt

“Wir erwarten erste Daten aus dem neuen Anlauf am LHC für 2022. Ich bin derzeit vorsichtig und erwarte, dass die Daten sich eher den Werten des Standardmodells annähern werden. Sollte sich die stärkere elektromagnetische Kopplung aber bestätigen, wäre das eine große Sache”, sagt Schöfbeck. Eine stärkere elektromagnetische Kopplung des Top Quarks könnte etwa ein Hinweis auf bisher unentdeckte Wechselwirkungen sein, eine neue Grundkraft der Natur.

Aber selbst wenn die abweichenden Daten sich als Irrlichter erweisen sollten, sind die Forscher/innen zuversichtlich, dass das Top Quark noch einige Überraschungen liefern wird. “Wir haben bisher nur die einfachen Dinge gemacht, aber damit sind wir jetzt durch. Deshalb wird der nächste Durchlauf am LHC besonders spannend. Wir wollen zum Beispiel das Impulsspektrum des Top Quarks in solchen Kollisionen messen. Es gibt noch viel zu tun”, resümiert Schöfbeck.

 

Auf einen Blick:

Robert Schöfbeck ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und leitet die Forschungsgruppe CMS Data Analysis.