Nach einem Jahrzehnt akribischer Messungen haben Wissenschaftler bekannt gegeben, dass ein Elementarteilchen – das W-Boson – eine deutlich größere Masse hat als angenommen, was die Grundlagen unseres Verständnisses der Funktionsweise des Universums erschüttert.
Diese Grundlagen basieren auf dem Standardmodell der Teilchenphysik, der besten Theorie, die Wissenschaftler haben, um die grundlegendsten Bausteine des Universums und die sie beherrschenden Kräfte zu beschreiben.
Das W-Boson ist ein elektrisch geladenes Elementarteilchen, das die sogenannte schwache Kraft steuert, eine der vier Grundkräfte der Natur und damit eine Säule des Standardmodells.
Laut einer neuen Studie, die im Science Journal veröffentlicht wurde, widerspricht die bisher präziseste Messung des W-Bosons jedoch direkt den Regeln des Standardmodells.
Ashutosh Kotwal, ein Physiker an der Duke University, der die Studie leitete, sagte, dass das Ergebnis mehr als 400 Wissenschaftler über 10 Jahre gebraucht habe, um einen „Datensatz von rund 450 Billionen Kollisionen“ aufzuzeichnen und zu untersuchen.
Diese Kollisionen, bei denen die Partikel mit atemberaubender Geschwindigkeit zusammengeschmettert wurden, um sie zu untersuchen, wurden vom Tevatron-Collider im US-Bundesstaat Illinois verursacht.
Er war bis 2009 der energiereichste Teilchenbeschleuniger der Welt, als er vom Large Hadron Collider in der Nähe von Genf abgelöst wurde, der einige Jahre später das Higgs-Boson beobachtete.
Das Tevatron hörte 2011 auf zu laufen, aber die Wissenschaftler des Collider Detector am Fermilab (CDF) haben seitdem Zahlen geknackt.
Harry Cliff, ein Teilchenphysiker an der Cambridge University, der am Large Hadron Collider arbeitet, sagte, das Standardmodell sei „wahrscheinlich die erfolgreichste Theorie und wissenschaftliche Theorie, die jemals niedergeschrieben wurde – es kann fantastisch genaue Vorhersagen treffen“.
Aber wenn sich diese Vorhersagen als falsch herausstellten, konnten sie nicht einfach optimiert werden.
„Es ist wie ein Kartenhaus, wenn man zu viel daran zieht, stürzt das ganze Ding ein“, sagte Cliff.
Aber das Standardmodell ist nicht ohne Probleme. Zum Beispiel wird dunkle Materie nicht berücksichtigt, von der angenommen wird, dass sie 95 % des Universums ausmacht.
Darüber hinaus „wurden kürzlich einige Risse im Standardmodell freigelegt“, sagten Physiker in einem begleitenden Science-Artikel.
„In diesem Rahmen von Hinweisen, dass Teile des Standardmodells fehlen, haben wir einen weiteren, sehr interessanten und ziemlich großen Hinweis beigesteuert“, sagte Kotwal.
Jan Stark, Physiker und Forschungsdirektor am französischen CNRS-Institut, sagte: „Dies ist entweder eine große Entdeckung oder ein Problem bei der Datenanalyse“ und prognostizierte „ziemlich hitzige Diskussionen in den kommenden Jahren“.
„Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise“, sagte er.
Die CDF-Wissenschaftler sagten, sie hätten die Masse des W-Bosons mit einer Genauigkeit von 0,01 % bestimmt – doppelt so genau wie frühere Bemühungen.
Sie verglichen es mit der Messung des Gewichts eines 350 kg (800 Pfund) schweren Gorillas auf 40 Gramm (1,5 Unzen).
Sie fanden heraus, dass es sich um sieben Standardabweichungen, die auch als Sigma bezeichnet werden, von der Vorhersage des Standardmodells unterscheidet.
Cliff sagte, dass beim Werfen einer Münze „die Wahrscheinlichkeit, durch dummes Glück ein Fünf-Sigma-Ergebnis zu erhalten, eins zu dreieinhalb Millionen ist“.
„Wenn dies real ist und nicht eine systematische Verzerrung oder ein Missverständnis bei der Durchführung der Berechnungen, dann ist es eine große Sache, denn es würde bedeuten, dass es einen neuen grundlegenden Bestandteil unseres Universums gibt, den wir zuvor noch nicht entdeckt haben.“
Er fügte jedoch hinzu: „Wenn Sie etwas so Großes sagen wollen, wie wir das Standardmodell der Teilchenphysik gebrochen haben und es neue Teilchen zu entdecken gibt, brauchen Sie wahrscheinlich mehr als eine Messung, um die Leute davon zu überzeugen mehr als eine Messung.“
David Toback, Co-Sprecher der CDF, sagte: „Es liegt nun an der Gemeinschaft der theoretischen Physik und anderen Experimenten, dies weiterzuverfolgen und Licht in dieses Mysterium zu bringen.“
Und nach einem Jahrzehnt der Messungen ist Kotwal noch nicht fertig.
„Wir gehen den Hinweisen nach und lassen nichts unversucht, damit wir herausfinden, was das bedeutet.“