Die Welt der winzigen Teenager, das Quantenreich, könnte einen Lieblingsgeschmack haben.
Wir reden natürlich nicht über kleine Eistüten. Die Welt der Partikel ist in drei Lager unterteilt, die "Aromen" genannt werden (fragen Sie nicht warum). Zum Beispiel repräsentieren die Elektronen einen Geschmack, und es gibt zwei andere Teilchen mit nahezu identischen Eigenschaften, das Myon und das Tau, die ihre eigenen Aromen haben. Wir haben lange vermutet - aber nicht bewiesen -, dass alle drei Geschmacksrichtungen gleichberechtigt sein sollten.
Aber leider deuten jahrelange Collider-Experimente darauf hin, dass vielleicht nicht alles gleichmäßig ist.
Die Ergebnisse dieser Experimente sind noch vorläufig und nicht signifikant genug, um die feste Entdeckung eines Risses in der Bibel der Teilchenphysik zu behaupten, der als Standardmodell bezeichnet wird. Wenn die Ergebnisse jedoch anhalten, könnte dies das Tor zum Verständnis von dunkler Materie bis zu den Ursprüngen des Universums öffnen. Sie wissen, große ungelöste Probleme in der modernen Physik.
Standardaromen
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist das oberste Gebot und hat im Laufe der Jahrzehnte zahlreiche Tests aus Experimenten auf der ganzen Welt erfolgreich bestanden. Diese Theorie vereint unser Verständnis von drei der vier fundamentalen Kräfte des Universums - Elektromagnetismus, starker Kern und schwacher Kern - unter einem einzigen Quantenbanner. Alles in allem ist es die am besten getestete Theorie in der gesamten Wissenschaft, die in der Lage ist, eine Vielzahl grundlegender Wechselwirkungen zu erklären.
Mit anderen Worten, Sie spielen einfach nicht mit dem Standardmodell herum.
Und doch wissen wir, dass dieses Bild der subatomaren Welt alles andere als perfekt ist. Um nur einige Beispiele zu nennen, es erklärt weder Neutrinomassen noch gibt es einen Hinweis auf dunkle Materie. Die überwiegende Mehrheit der Physiker glaubt, dass es eine andere bisher unbekannte Theorie gibt, die alles umfasst, was das Standardmodell erklären kann und was es nicht kann.
Das Schlimme ist, dass wir nicht wissen, wie diese Theorie aussieht oder welche Vorhersagen sie treffen könnte. Wir kennen also nicht nur nicht die vollständigen Antworten auf das Leben, das Universum und alles dazwischen, sondern wissen auch nicht, wie wir diese Antworten erhalten können.
Um Hinweise auf "Eine bessere Theorie" zu finden, sind Forscher auf der Suche nach Unvollkommenheiten oder falschen Vorhersagen des Standardmodells - ein Riss in dieser Theorie könnte möglicherweise die Tür zu etwas Größerem öffnen.
Eine der vielen Vorhersagen des Standardmodells betrifft die Natur der Leptonen, bei denen es sich um winzige Einzelpartikel wie Elektronen oder Quarks handelt. Die Leptonen werden in drei Klassen eingeteilt, die als bekannt sind Generationen oder Aromen je nachdem welchen Physiker du fragst. Partikel mit unterschiedlichen Geschmacksrichtungen haben alle die gleichen Eigenschaften, außer dass sie unterschiedliche Massen haben. Zum Beispiel haben das Elektron, das Myon und das Tau-Teilchen alle die gleiche elektrische Ladung und den gleichen Spin, aber das Myon überwiegt das Elektron und das Tau noch mehr - sie haben unterschiedliche Geschmacksrichtungen.
Nach dem Standardmodell sollten sich diese drei Geschmacksrichtungen des Elektrons genau gleich verhalten. Grundlegende Wechselwirkungen sollten jede dieser Wechselwirkungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit erzeugen. Die Natur kann den Unterschied zwischen ihnen einfach nicht erkennen, daher bevorzugt sie nicht wirklich einen Geschmack gegenüber einem anderen.
Wenn es um die drei Geschmacksrichtungen geht, verfolgt die Natur den neapolitanischen Ansatz: alle.
Ein schönes Ergebnis
Das ist jedoch alles Theorie und sollte daher getestet werden. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Experimente durchgeführt, wie sie im Large Hadron Collider am CERN und in der BaBar-Anlage durchgeführt wurden, bei denen grundlegende Partikel bei massiven Kollisionen zusammengeschlagen werden. Die aus diesen Kollisionen resultierenden Partikel könnten Hinweise darauf geben, wie die Natur auf den tiefsten Ebenen funktioniert. Und einige dieser Kollisionen wurden entwickelt, um festzustellen, ob die Natur einen Geschmack von Lepton gegenüber den anderen mag.
Insbesondere eine Art von Teilchen, der Bottom Quark genannt wird, zerfällt wirklich gerne in Leptonen. Manchmal wird es ein Elektron. Manchmal ein Myon. Manchmal ein Tau. Aber egal was passiert, alle drei Geschmacksrichtungen haben die gleiche Chance, aus den Trümmern herauszukommen.
Physiker haben es geschafft, Hunderte Millionen solcher Zerfälle des unteren Quarks anzuhäufen, und seit einigen Jahren tauchten in den Daten etwas Seltsames auf: Die Natur schien Tau-Teilchen bei diesen Wechselwirkungen etwas mehr zu bevorzugen als die anderen Leptonen. Es war jedoch statistisch kaum signifikant, so dass es leicht war, diese Ergebnisse als bloßen statistischen Zufall wegzuwinken; Vielleicht hatten wir einfach nicht genug Kollisionen, um alles auszugleichen.
Aber im Laufe der Jahre ist das Ergebnis geblieben, wie der Physiker Antonio Pich von der Universität von Valencia in Spanien in einer Überprüfung dieser Forschung hervorhebt, die im November in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde. Die Natur sieht ziemlich hartnäckig aus, wenn es um die offensichtliche Bevorzugung des Tau-Partikels geht. Das Ergebnis ist immer noch nicht schlüssig, aber seine Beständigkeit über die Jahre und über verschiedene Experimente hinweg hat zu einem echten Head-Scratcher geführt.
Nicht so Standardmodell
Im Standardmodell erhalten die verschiedenen Geschmacksrichtungen von Leptonen ihren… nun, Geschmack… durch ihre Wechselwirkungen mit dem Higgs-Boson: Je mehr ein Geschmacksstoff mit den Higgs interagiert, desto größer ist seine Masse. Ansonsten unterscheidet die Natur nicht zwischen ihnen, daher die Vorhersage, dass alle Aromen in allen Interaktionen gleich erscheinen sollten.
Aber wenn diese sogenannten "Geschmacksanomalien" tatsächlich ein echtes Merkmal unseres Universums sind und nicht nur ein Fehler in der Datenerfassung, dann müssen wir erklären, warum sich die Natur mehr um das Tau-Teilchen als um das Elektron oder Myon kümmern sollte. Eine Möglichkeit besteht darin, dass mehr als eine Art von Higgs-Boson herumfliegt - eine, um die Massen des Elektrons und des Myons bereitzustellen, und eine andere, die das Tau besonders mag und es ermöglicht, dass es häufiger aus Wechselwirkungen herausspringt.
Eine andere Möglichkeit ist, dass es zusätzliche Partikel gibt, die mit den Tau-Partikeln sprechen, die wir in Experimenten noch nicht gesehen haben. Oder vielleicht gibt es eine grundlegende Symmetrie der Natur, die sich nur durch das Flüstern von Lepton-Reaktionen offenbart - mit anderen Worten, eine neue Naturkraft, die nur in diesen obskuren, seltenen Wechselwirkungen auftritt.
Bis wir die Beweise festhalten (derzeit liegt die statistische Signifikanz dieses Unterschieds bei 3-Sigma, was einer Wahrscheinlichkeit von 99,3% entspricht, dass dieses Ergebnis nur ein Zufall ist, während der "Goldstandard" für die Teilchenphysik 5-Sigma ist. oder 99,97%) können wir nicht sicher wissen. Wenn sich die Beweise jedoch verschärfen, könnten wir diese neuen Erkenntnisse möglicherweise nutzen, um neue Physik jenseits des Standardmodells zu finden, was die Möglichkeit eröffnet, das derzeit Unerklärliche zu erklären, wie die Physik des sehr frühen Universums oder was auch immer zum Teufel los ist mit dunkler Materie.
