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 Teilchen miteinander interagieren. Diese Abweichungen sind im Vergleich zu der erwarteten Art und Weise, wie sie zerfallen, inkonsistent und deuten auf die Existenz neuer Bosonen hin.
Zu diesen Abweichungen gehören die Multileptonenanomalien.
„Aus den Multilepton-Anomalien lässt sich die Existenz eines neuen Higgs-ähnlichen Bosons vorhersagen, das etwas schwerer ist als das 2012 entdeckte. Dieses würde durch den Zerfall eines noch schwereren Bosons entstehen“, sagt Mellado. Ihre Beobachtungen wurden veröffentlicht in Nature Reviews Physik.
Forscher auf dem Gebiet der Teilchenphysik untersuchen die Zusammensetzung von Elementarteilchen 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 einer höheren Masse in eine niedrigere Masse) von Leptonen, um die Zusammensetzung von Teilchen zu untersuchen. Durch Studien wie diese wurde das Higgs-Boson am LHC in der Schweiz entdeckt.
Das Higgs-Boson wurde bereits 1964 vorhergesagt. Seine Entdeckung wurde jedoch erst am 4. Juli 2012 durch die Experimente des LHC am CERN in Genf, Schweiz, bekannt gegeben. Die Entdeckung, an der südafrikanische Wissenschaftler beteiligt waren, führte 2013 zur Verleihung des Nobelpreises für Physik an die beiden theoretischen Physiker Francois Englert und Peter Higgs.
„Das Higgs-Boson war das letzte fehlende Elementarteilchen des Standardmodells. Seine Entdeckung war aus zwei Gründen ein Wendepunkt für die Physik. Erstens demonstriert es den Mechanismus, wie Elementarteilchen in der Natur Masse erlangen, und öffnet damit die Tür zum Verständnis, wie der Großteil der uns unbekannten Materie im Universum erzeugt wird. Und zweitens öffnet es ein Zeitfenster für weitere bahnbrechende Entdeckungen, die Aufschluss darüber geben werden, wie das Standardmodell zusammenbricht“, sagt Mellado.
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die mathematische Beschreibung der grundlegenden Bestandteile und Wechselwirkungen von Materie. Es ist zwar die anerkannte Theorie, die den aktuellen Stand unseres Wissens in der Teilchenphysik zusammenfasst, aber es ist unvollständig, da es viele eklatante Phänomene in der Natur nicht beschreiben kann.
Der Artikel von Crivellin und Mellado beschreibt Abweichungen beim Zerfall von Multilepton-Partikeln im LHC im Vergleich zu dem Verhalten, das sie laut Standardmodell haben sollten. Diese Abweichungen oder Anomalien stellen Überschreitungen bei der Produktion von Teilchen dar, die Elektronen und ihr schwerer Cousin, das Myon, genannt werden, und zwar über die Vorhersagen des Standardmodells hinaus.
„Eine Anomalie ist etwas, das ungewöhnlich oder anders als normal oder erwartet auffällt. In diesem Fall handelt es sich um eine Abweichung vom Standardmodell der Teilchenphysik. Anomalien können wichtig sein, weil sie oft signalisieren, dass etwas Unerwartetes oder Bedeutsames passiert ist“, sagt Crivellin.
Der Entdeckung des Higgs-Bosons sowie anderen wichtigen Entdeckungen in der Teilchenphysik gingen indirekte Beweise voraus, wie etwa Abweichungen von den Vorhersagen der derzeit vorherrschenden Theorie. Diese „Anomalien“ sind frühe Anzeichen oder Hinweise darauf, dass bald eine direkte Entdeckung erfolgen könnte.
„Diese Anomalien, wie sie in unserem Artikel beschrieben werden, stimmen mit neuen Bosonen überein“, sagt Crivellin.
Die Entdeckung neuer Bosonen wäre bahnbrechend.
„Dies könnte die Antwort darauf sein, warum unser derzeitiges Verständnis der Materie nicht funktioniert und würde die Tür zur Beobachtung neuer Kräfte in der Natur öffnen.“
Die Arbeiten, die zur Beobachtung der Multilepton-Anomalien führten, wurden auf dem International Workshop Discovery Physics am LHC initiiert, der im Dezember 2014 im Krüger-Nationalpark stattfand. Professor Alan Cornell und Dr. Mukesh Kumar leiteten die theoretischen Arbeiten, die später in einem Veröffentlichung im Europäisches Journal der Physik C.
Der Artikel von Crivellin und Mellado ist dem Andenken des verstorbenen Professors Daniel Adams gewidmet, der viele Jahre im südafrikanischen Ministerium für Wissenschaft und Innovation tätig war und maßgeblich an der Gründung des SA-CERN-Programms und der Teilchenphysik in Südafrika beteiligt war.
Weitere Informationen:
Andreas Crivellin et al, Anomalien in der Teilchenphysik und ihre Auswirkungen auf die Physik jenseits des Standardmodells, Nature Reviews Physik (2024). DOI: 10.1038/s42254-024-00703-6