Elementarteilchen Ist das Standardmodell der Physik überholt?

Seit gut 50 Jahren versucht das sogenannte "Standardmodell der Teilchenphysik" zu erklären, wie die Welt aufgebaut ist. Es geht davon aus, dass es 17 Teilchen gibt und vier Grundkräfte. Allerdings können damit so einige Dinge im Universum oder in der Welt der kleinen Teilchen nicht erklärt werden. Deshalb vermutet die Wissenschaft, dass unsere Sicht auf die Welt nicht ganz richtig sein kann. Neueste Experimente versuchen, Hinweise auf diesen Fehler zu finden.

Standardmodell Teilchenphysik 4 min
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Normalerweise freuen sich Naturwissenschaftler, wenn ihre Theorien durch Experimente bestätigt werden. Beim Standardmodell der Teilchenphysik ist das anders, sagt der Dresdner Physiker Dominik Stöckinger. Er leitet als Professor für Phänomenologie der Elementarteilchen das Institut für Kern- und Teilchenphysik der TU Dresden.

Wir suchen nach experimentellen Indizien, wo genau der Punkt erreicht ist, wo unsere bisherige Theorie versagt. Die Theorie lässt einige wichtige Fragen unbeantwortet. Daher wissen wir, dass sie irgendwann durch eine bessere Theorie ersetzt werden müsste, wodurch wir dann die offenen Fragen beantworten können.

Dominik Stöckinger, Professur Phänomenologie der Elementarteilchen

Was die Welt wirklich im Innersten zusammenhält, beschreibt das Standardmodell nur, erklärt es aber nicht. So lässt sich die Gravitationsstärke derzeit nicht in das Standardmodell integrieren. Vom Kosmos kennen wir lediglich fünf Prozent. Der Rest ist anziehende dunkle Materie und abstoßende dunkle Energie. Welche Energiefelder und Teilchen aber dahinterstecken, ist vollkommen rätselhaft. Auch warum es so viele Teilchen mit oft ähnlichen Eigenschaften gibt, wüssten die Physiker gern.

Ein Mann im blauen Pullover vor eienr grünen Tafel, auf der Formeln aufgeschrieben sind
Prof. Dominik Stöckinger Bildrechte: Benjamin Griebe/TU Dresden

Woher kommen überhaupt diese fundamentalen Wechselwirkungen, die wir hier haben? Die sind ja im Standardmodell beschrieben. Das würden wir gerne beantworten.

Dominik Stöckinger

Wie das Myon die Wissenschafft überrascht

Um das zu beantworten, müssen wir über das Standardmodell hinausgehen. Zur Freude des Dresdner Professors für theoretische Physik haben nun gleich zwei Experimente das Standardmodell ins Wanken gebracht. Beide haben mit Myonen zu tun. Diese Teilchen ähneln den bekannteren Elektronen aus der Atomhülle, sind aber 200 Mal schwerer und leben nur wenige Millionstel Sekunden. Nach dem Standardmodell müssten sie sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit um sich selbst drehen. Die Messungen ergaben jedoch eine Abweichung, wenn auch erst in der achten Stelle nach dem Komma. Das reicht aber, um die Physiker jubeln zu lassen, denn damit ist klar: Es muss eine unbekannte Kraft geben, die das Myon beeinflusst.

Auch bei einem ganz anders gelagerten Experiment am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Zürich verhielt sich das Myon anders als vorausberechnet.

Es wurde festgestellt, dass sich bei ganz bestimmten Zerfällen von recht exotischen Elementarteilchen diese Myonen auch etwas anders verhalten, als man es nach der Standardtheorie erwarten würde.

Dominik Stöckinger

Die Abweichung als Glücksfall

Das heißt, es sind schon wieder diese Myonen, die ein besonderes Verhalten zeigen. Dass zweimal das gleiche Teilchen anders reagiert, ist aus wissenschaftlicher Sicht ein Glücksfall. Vorausgesetzt, die Messungen stimmen.

Dann hätte man eine klare Richtung, wie man das Standardmodell erweitern muss. Momentan gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. Es ist absolut möglich, dass die dunkle Materie eine Ursache für die gemessene Abweichung ist. Es gibt das Higgs-Teilchen, was vor etwa zehn Jahren am CERN gefunden wurde. Dessen Eigenschaften stehen noch nicht hundertprozentig fest.

Dominik Stöckinger

Allerdings haben die Physiker ein weiteres Problem. Nicht nur Experimente stellen das bisherige Standardmodell infrage, sondern auch eine neue Berechnung mit Hilfe von Supercomputern. Sie lieferte andere Werte als die bisherige Modellierung.

Beide Rechenmethoden sind fundamentale, durchdachte Methoden. Man kann nicht sagen, eine Methode ist besser als die andere. Wenn es dabei bliebe, dass die zwei Rechnungen nicht übereinstimmen, dann hat man natürlich ein Problem. Das Standardmodell unserer Natur sagt ja auch, dass diese zwei Rechenmethoden zum selben Ergebnis führen müssten.

Dominik Stöckinger

Steht die Physik vor einem Umbruch?

Die Lage in der Teilchenphysik ist also verzwickt: Zwei unterschiedliche Berechnungen des Standardmodells auf der Theorieseite und zwei Experimente, deren Ergebnisse in keines der beiden Modelle passen. Und dazu die Unsicherheit, vielleicht doch nur einem Rechen- oder Messfehler aufgesessen zu sein. Dominik Stöckinger bleibt gelassen:

Für die Wissenschaftler sind solche Probleme keine Probleme, sondern das ist das, was wir haben wollen, um Fortschritte zu erzielen. Wenn die Messungen stimmen, steht die Physik vor einem Umbruch wie vor hundert Jahren, als erst Einstein mit der Relativitätstheorie, dann Heisenberg, Schrödinger und andere mit der Quantenmechanik die Physik komplett neu erfanden.

Dominik Stöckinger

Das ist momentan möglicherweise der Beginn einer neuen Ära in der Elementarteilchenphysik, denn erst, wenn wir dunkle Materie und dunkle Energie durchschauen, den Teilchenzoo kennen und verstehen, erst dann wissen wir wirklich, was die Welt im Innersten zusammenhält.

Link zum Experiment

Mitteilung des Fermilab über das Myon 2-g-Experiment, dass das Standardmodell der Teilchenphysik infrage stellt.

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