Die Bibel der Teilchenphysik sehnt sich nach einem Upgrade. Und Physiker haben vielleicht genau das Richtige: Einige Teilchen und Kräfte schauen möglicherweise in den Spiegel und erkennen sich selbst nicht. Das an sich würde das sogenannte Standardmodell in einen Tailspin versetzen.
Fast alle grundlegenden Reaktionen zwischen den subatomaren Teilchen des Universums sehen gleich aus, wenn sie in einem Spiegel herumgedreht werden. Das Spiegelbild, Parität genannt, soll dann in der Physik symmetrisch sein oder Paritätssymmetrie haben.
Natürlich folgt nicht jeder den Regeln. Wir wissen, dass zum Beispiel Reaktionen mit der schwachen Kernkraft, die auch aus einer ganzen Reihe anderer Gründe seltsam ist, die Paritätssymmetrie verletzen. Es liegt also nahe, dass andere Kräfte und Teilchen in der Quantenwelt ebenfalls Regelbrecher in diesem Bereich sind.
Physiker haben einige Ideen zu diesen anderen hypothetischen Reaktionen, die im Spiegel nicht gleich aussehen würden und daher die Paritätssymmetrie verletzen würden. Diese seltsamen Reaktionen könnten uns auf eine neue Physik hinweisen, die uns helfen könnte, das Standardmodell der Teilchenphysik, unsere aktuelle Zusammenfassung aller subatomaren Dinge, zu überwinden.
Leider werden wir die meisten dieser seltsamen Reaktionen in unseren Atomzerstörern und Labors nie sehen. Die Wechselwirkungen sind einfach zu selten und zu schwach, um sie mit unseren Instrumenten zu erkennen, die auf andere Arten von Wechselwirkungen abgestimmt sind. Es kann jedoch einige seltene Ausnahmen geben. Forscher des weltweit größten Atomzerstörers, des Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf, haben nach diesen seltenen Wechselwirkungen gesucht. Bisher sind sie mit leeren Händen aufgetaucht, aber selbst dieses Ergebnis ist aufschlussreich. Diese negativen Ergebnisse helfen dabei, fruchtlose Hypothesen aus der Überlegung herauszusortieren, sodass sich die Physiker auf vielversprechendere Wege bei der Suche nach neuer Physik konzentrieren können.
Spieglein Spieglein an der Wand
Eines der wichtigsten Konzepte in der gesamten Physik ist das der Symmetrie. Man könnte sogar vernünftigerweise argumentieren, dass Physiker nur Symmetriejäger sind. Symmetrien offenbaren die grundlegenden Naturgesetze, die das innerste Funktionieren der Realität bestimmen. Symmetrie ist eine große Sache.
Also, was ist es? Eine Symmetrie bedeutet, dass der Prozess gleich bleibt, wenn Sie ein Element in einem Prozess oder einer Interaktion ändern. Die Physiker sagen dann, dass der Prozess in Bezug auf diese Änderung symmetrisch ist. Ich bin hier absichtlich vage, weil es so viele verschiedene Arten von Symmetrie gibt. Manchmal können Sie beispielsweise das Vorzeichen der Ladungen auf Partikeln ändern, manchmal können Sie Prozesse zeitlich vorwärts oder rückwärts ausführen, und manchmal können Sie eine spiegelbildliche Version des Prozesses ausführen.
Dieser letzte, der einen Prozess im Spiegel betrachtet, wird als Symmetrie der Parität bezeichnet. Die meisten subatomaren Wechselwirkungen in der Physik liefern genau das gleiche Ergebnis, unabhängig davon, ob sie direkt vor Ihnen oder im Spiegel durchgeführt werden. Einige Wechselwirkungen verletzen jedoch diese Symmetrie, wie die schwache Kernkraft, insbesondere wenn bei Wechselwirkungen mit dieser Kraft Neutrinos erzeugt werden.
Neutrinos drehen sich immer "rückwärts" (mit anderen Worten, die Achse ihres Spins zeigt von ihrer Bewegungsrichtung weg), während Antineutrinos "vorwärts" drehen (ihre Spinachse zeigt geradeaus, wenn sie herumfliegen). Das bedeutet, dass es sehr subtile Unterschiede in der Anzahl der Neutrinos und Antineutrinos gibt, die produziert werden, wenn Sie ein reguläres Experiment durchführen, im Vergleich zu einem spiegelgekippten Experiment, das auf der schwachen Kernkraft beruht.
Defekte Spiegel
Soweit wir wissen, verletzen allein die schwache Atomkraft und die schwache Atomkraft die Symmetrie der Parität. Aber vielleicht ist es nicht allein.
Wir wissen, dass Physik existieren muss, die über das hinausgeht, was wir derzeit verstehen. Und einige dieser hypothetischen Ideen und Konzepte verletzen auch die Symmetrie der Parität. Zum Beispiel sagen einige dieser Theorien subtile Asymmetrien in ansonsten normalen Wechselwirkungen voraus, die die Arten von Partikeln betreffen, die der LHC typischerweise untersucht.
Natürlich sind diese hypothetischen Ideen exotisch, komplex und sehr schwer zu testen. In vielen Fällen sind wir uns nicht ganz sicher, wonach wir suchen.
Das Problem ist, dass wir zwar wissen, dass unsere derzeitige Konzeption der Teilchenwelt, das so genannte Standardmodell, unvollständig ist, wir aber nicht wissen, wo wir nach ihrem Ersatz suchen sollen. Viele Physiker hofften, dass der LHC etwas enthüllen würde - ein neues Teilchen, eine neue Interaktion, überhaupt etwas -, das uns auf etwas Neues und Aufregendes hinweisen würde, aber bisher sind alle diese Suchen gescheitert.
Viele der früheren Spitzenreiter-Theorien für das, was jenseits des Standardmodells liegt (wie Supersymmetrie), werden langsam ausgeschlossen. Hier kann eine Verletzung der Paritätssymmetrie nützlich sein.
Fast alle gängigen hypothetischen Erweiterungen des Standardmodells beinhalten die Einschränkung, dass nur die schwache Kernkraft die Paritätssymmetrie verletzt. (Dies ist in die grundlegende Mathematik der Modelle eingebettet, falls Sie sich fragen, wie dies funktioniert.) Das bedeutet, dass Konzepte wie Supersymmetrie, Axionen und Leptoquarks diese Symmetrie genau dort brechen lassen, wo sie ist, und nirgendwo anders.
Aber Leute, wenn diese allgemeinen Erweiterungen nicht funktionieren, ist es vielleicht an der Zeit, unseren Horizont zu erweitern.
Parität zurückschälen
Aus diesem Grund suchte ein Forscherteam in einem Datencache, der vom Compact Muon Solenoid (CMS) -Experiment am LHC veröffentlicht wurde, nach Paritätsverletzungen. Sie haben ihre Ergebnisse in einer Studie detailliert beschrieben, die am 29. April auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht wurde. Dies war eine ziemlich knifflige Suche, da der LHC nicht wirklich für die Suche nach Paritätsverletzungen eingerichtet ist. Aber die Forscher fanden geschickt einen Weg, dies zu tun, indem sie die Reste in Wechselwirkungen zwischen anderen Partikeln untersuchten.
Das Ergebnis: Es wurden keine Hinweise auf eine Paritätsverletzung gefunden. Hurra für das Standardmodell (wieder). Obwohl es ein bisschen enttäuschend ist, dass diese Forschung keine neue Grenze der Physik eröffnet hat, wird sie helfen, zukünftige Suchen zu klären. Wenn wir weiter suchen und immer noch keine Beweise für eine Paritätsverletzung außerhalb der schwachen Kernkraft finden, dann wissen wir, dass alles, was jenseits des Standardmodells liegt, einige der gleichen mathematischen Strukturen wie diese Haupttheorie haben und nur die schwache Kernkraft zulassen muss im Spiegel anders aussehen.
