Abweichungen in der Teilchenwechselwirkung weisen auf die Existenz neuer Bosonen hin

Die Professoren Andreas Crivellin von der Universität Zürich und Bruce Mellado von der University of the Witwatersrand und iThemba LABS in Südafrika haben Abweichungen in der Art und Weise dokumentiert, wie die Partikel interagieren. Diese Abweichungen stimmen nicht mit der Art und Weise überein, wie sie sich auflösen sollten, und deuten auf die Existenz neuer Bosonen hin.

Zu diesen Abweichungen zählen multileptonische Anomalien.

„Anhand der multileptonischen Anomalien können wir die Existenz eines neuen Bosons vom Higgs-Typ vorhersagen, das etwas schwerer ist als das 2012 entdeckte. Dieses würde durch den Zerfall eines noch schwereren Bosons entstehen“, erklärt Mellado. Ihre Beobachtungen wurden veröffentlicht in Nature Reviews Physik.

Forscher auf dem Gebiet der Teilchenphysik untersuchen die Zusammensetzung grundlegender Teilchen wie Protonen, Neutronen und Leptonen, um herauszufinden, aus welcher Materie das Universum besteht und wie Kräfte in der Natur wirken.

Leptonen sind Elementarteilchen wie Elektronen, die sich mit anderen Teilchen zu zusammengesetzten Teilchen wie Atomen verbinden können. Forscher untersuchen den Zerfall (ihre Umwandlung von höherer Masse zu niedrigerer Masse) von Leptonen, um die Zusammensetzung der Teilchen zu untersuchen. Dank solcher Studien wurde das Higgs-Boson am LHC in der Schweiz entdeckt.

Das Higgs-Boson wurde bereits 1964 vorhergesagt. Doch erst am 4. Juli 2012 wurde seine Entdeckung durch die Experimente am LHC am CERN in Genf, Schweiz, bekannt gegeben. Diese Entdeckung, an der südafrikanische Wissenschaftler beteiligt waren, brachte 2013 zwei theoretischen Physikern, François Englert und Peter Higgs, den Nobelpreis für Physik ein.

„Das Higgs-Boson war das letzte fehlende Elementarteilchen im Standardmodell. Seine Entdeckung markierte aus zwei Gründen einen Wendepunkt für die Physik. Erstens demonstriert es den Mechanismus, durch den fundamentale Teilchen in der Natur an Masse gewinnen, und ebnet den Weg für das Verständnis, wie der größte Teil der uns unbekannten Materie im Universum entsteht. „Zweitens eröffnet es die Möglichkeit für weitere bahnbrechende Entdeckungen, die Aufschluss darüber geben, wie das Standardmodell zusammenbricht“, sagt Mellado.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die mathematische Beschreibung der grundlegenden Bestandteile und Wechselwirkungen der Materie. Obwohl es sich um die anerkannte Theorie handelt, die den aktuellen Stand unseres Wissens über die Teilchenphysik zusammenfasst, ist sie unvollständig, da sie viele ungeheuerliche Naturphänomene nicht beschreibt.

Das Papier von Crivellin und Mellado beschreibt die Abweichungen beim Zerfall von Multi-Lepton-Teilchen im LHC im Vergleich zu ihrem Verhalten nach dem Standardmodell. Diese Abweichungen oder Anomalien stellen Überschüsse bei der Produktion von Teilchen namens Elektronen und ihres schweren Verwandten, dem Myon, dar, die zu den Vorhersagen des Standardmodells beitragen.

„Eine Anomalie ist etwas, das vom Normalen oder Erwarteten abweicht. In diesem Fall handelt es sich um eine Abweichung vom Standardmodell der Teilchenphysik. Anomalien können wichtig sein, weil sie oft darauf hinweisen, dass etwas Unerwartetes oder Wichtiges passiert ist“, sagt Crivellin.

Der Entdeckung des Higgs-Bosons gingen wie anderen großen Entdeckungen der Teilchenphysik indirekte Hinweise voraus, etwa Abweichungen von den Vorhersagen der aktuellen Theorie. Diese „Anomalien“ sind frühe Anzeichen oder Hinweise darauf, dass bald eine direkte Entdeckung stattfinden könnte.

„Diese Anomalien, wie in unserer Arbeit beschrieben, stehen im Einklang mit neuen Bosonen“, erklärt Crivellin.

Die Entdeckung neuer Bosonen wäre eine Revolution.

„Dies könnte erklären, warum unser derzeitiges Verständnis des Themas nicht funktioniert, und würde die Tür zur Beobachtung neuer Kräfte in der Natur öffnen.“ »

Die Arbeiten, die zur Beobachtung von Multi-Lepton-Anomalien führten, wurden während des internationalen Discovery Physics-Workshops am LHC im Krüger Park im Dezember 2014 initiiert. Professor Alan Cornell und Dr Zeitschrift Europäisches Journal für Physik C.

Der Artikel von Crivellin und Mellado ist der Erinnerung an den verstorbenen Professor Daniel Adams gewidmet, der viele Jahre im südafrikanischen Ministerium für Wissenschaft und Innovation arbeitete und maßgeblich an der Etablierung des SA-CERN-Programms und der Teilchenphysik in Südafrika beteiligt war.