Teilchenphysik: W-Boson schwerer als angenommen

Das Fermilab bei Chicago hat es geschafft! Physikerinnen und Physiker konnten die Masse eines wichtigen Elementarteilchens genauer messen, als jemals zuvor. Das sogenannte W-Boson ist demnach deutlich schwerer als bisher angenommen. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt eigentlich etwas anderes.

Die am Donnerstag im Fachmagazin «Science» veröffentlichte Studie weckt somit Zweifel an einem Standardmodell der Physik. Dieses war bis anhin zweifellos die erfolgreichste wissenschaftliche Theorie zur Beschreibung des Universums.

Das internationale Konsortium «Collider Detector at Fermilab» (CDF) hat die Masse des W-Boson noch einmal berechnet. Es gelang ihnen, diese etwa zweimal genauer zu bestimmen als dies bei der bislang besten Messung der Fall war.

Das W-Boson ist eines der schwersten bekannten Teilchen im Universum, es besitzt etwa die 80-fache Masse eines Protons. Das Boten-Teilchen ist Vermittler der schwachen Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Grundkräfte der Physik, und somit ein Schlüsselbaustein des Standardmodells. Seine Existenz und detaillierte Eigenschaften wurden erstmals in den 1960er Jahren vorhergesagt, 1983 wurde es am Cern bei Genf entdeckt.

Das aus 400 Forschern der Physik bestehende CDF-Team analysierte zehn Jahre alte Daten. Diese waren mit dem Teilchenbeschleuniger Tevatron am Fermilab aufgezeichnet und wiederum während eines Jahrzehnts analysiert wurden. Demnach stimme die Präzisionsmessung der Masse des W-Bosons um sieben Standardabweichungen nicht mit dem Standardmodell überein.

«Eine solche Abweichung liegt jenseits der Entdeckungsmöglichkeiten in der Welt der Teilchenphysik.» Das sagte Ben Kilminster im Gespräch mit der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Er ist Professor für experimentelle Teilchenphysik an der Universität Zürich und Mitglied des CDF-Konsortiums.

In der Teilchenphysik besteht die Konvention, bei Effekten ab drei Standardabweichungen von einem «Hinweis» zu sprechen. Ab fünf Standardabweichungen spricht man von einer «Entdeckung». So deuten die Ergebnisse laut Kilminster stark auf die Möglichkeit hin, dass es bisher noch unentdeckte Teilchen oder Kräfte gebe.

Mit «Ein Rüttler am Standardmodell» wurde denn auch ein Begleitartikel zu der Studie betitelt. Dieser stammt von Claudio Campagnari der US-Universität Kalifornien, Santa Barbara und Martijn Mulders vom Cern. Die Forscher betonen allerdings, dass «aussergewöhnliche Behauptungen aussergewöhnliche Beweise erfordern».

Deshalb brauche es zusätzliche Experimente, um die vorliegenden Ergebnisse unabhängig zu bestätigen – oder zu verwerfen. Sie weisen darauf hin, dass Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) bereits grössere Datenmengen gesammelt hätten zu dem W-Boson. Damit könne im Prinzip noch eine bessere Präzision erreicht werden.

Auch Ben Kilminster möchte nicht mit letzter Überzeugung von einer Entdeckung sprechen. «Vergleichbare Messresultate von anderen Experimenten würde das Vertrauen in unsere Messungen stärken», sagte er.

Zudem seien nun die theoretischen Physiker gefragt, um die Berechnungen beruhend auf dem Standardmodell eingehend zu prüfen. «Das ultimative Vertrauen wird uns aber erst die Entdeckung neuer Teilchen oder Kräfte schenken. Diese könnten aufgrund ihrer Wechselwirkungen die bislang herrschende Diskrepanz zwischen Messung und Berechnung erklären», so der Physiker.

Gewisse Rätsel der Physik lassen sich mit dem Standardmodell bislang nicht knacken. Beispielsweise gibt es keine Antwort darauf, worauf das offenkundige Ungleichgewicht zwischen Materie und Anti-Materie im Universum beruht.

Auch hat sie keine Erklärung für die dunkle Materie. Auf der Suche nach einer Theorie, die das Universum ohne Widersprüche abbildet, rücken Forschende in immer präzisere Messbereiche vor.