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Seltsames Teilchensignal : Wer hat das bestellt?

Zwei-Photonen-Ereignis, registriert vom CMS-Detektor bei 13 TeV Kollisionsenergie. Die Photonen sind durch grüne Linien dargestellt. Bild: Cern

Am Forschungszentrum Cern zieht man Bilanz. Nichts ungewöhnliches ist dieses Jahr zu vermelden, außer einem unerwarteten schwachen Signal, das reichlich Stoff für Spekulationen bietet.

          Das Jahr 2015 neigt sich auch am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf zur Neige. Und so kollidierten am vergangenen Sonntag zum letzten Mal für dieses Jahr Wasserstoffkerne im „Large Hadron Collider“ (LHC), dem mit Abstand weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Mitte dieser Woche haben die Forscher der beiden Großexperimente CMS und Altas die Ergebnisse des vergangenen halben Jahres im großen Hörsaal des Cern präsentiert. Die Resultate waren mit großer Spannung erwartet worden, da seit Anfang diesen Jahres im LHC Protonen mit einer bislang unerreichten Energie von 13 Teraelektronenvolt (TeV, 13.000 Gigaelektronenvolt) zur Kollision gebracht werden. Der bisherige Rekord lag bei acht TeV und stammt aus dem Jahr 2012 – dem Jahr, an dem man mit dem LHC auch das Higgs-Teilchen erzeugt hatte.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Doch die Ausbeute der vergangenen sechs Monate ist vergleichsweise mager. Trotz der hohen Energie, die jetzt zur Verfügung steht, haben sich die Hoffnungen nicht erfüllt, auf supersymmetrische Teilchen zu stoßen, nach denen man seit langem sucht. Jene Teilchen könnten einige der noch ungeklärten Rätsel wie die der Dunklen Materie mit einem Schlag erklären. Auch haben sich bislang keine Effekte gezeigt, die auf eine gänzlich neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen. Ganz im Gegenteil: Der überwiegende Teil der beobachteten Teilchenzerfälle folgt auch für Skala oberhalb von acht TeV streng den Voraussagen des bewährten Theoriekonstrukts, das die zwölf bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen beschreibt. So ist es nicht weiter überraschend, dass sich die Signaturen für das Higgs-Teilchen, das man vor drei Jahren erstmals bei Protonen-Kollisionen im LHC aufspürte, weiter erhärteten.

          Echter Effekt oder statistische Fluktuation? 

          Einzig eine erhöhte Zahl von Photonen in einer Zerfallskurve, die sowohl CMS als auch Atlas bei einer Energie von 750 Gigaelektronenvolt gemessen hat, ließ die Teilchenphysiker des Cern aufhorchen. Kaum war die Nachricht in der Welt, brodelte im Internet die Gerüchteküche. Auf Twitter und in den einschlägigen Blogs wurde kräftig spekuliert: Hat man am Cern ein neues Teilchen entdeckt, das in zwei Photonen zerfällt? Doch der nüchterne Blick auf die Daten zeigt, dass die Signifikanz der vermeintlichen Resonanz weniger als zwei Sigma beträgt. Um von einem echten Effekt zu sprechen, müssten es fünf Sigma sein. Denn sonst handelt es sich nur um einen schwachen Hinweis.

          Hinter der Überhöhung des Signals könnten genau so gut auch statistische Fluktuationen der Messwerte stecken. Deshalb gibt man sich am Cern eher bedeckt. Ungewöhnlich ist allerdings, dass die Überhöhung in beiden Detektoren gemessen wurde. „Es ist zwar ein wenig verblüffend“, sagte Dave Charlton, Sprecher der internationalen Atlas-Kollaboration gegenüber der Zeitschrift „Nature“. „Aber so etwas kann eintreten durch zufällige Koinzidenz“. Der Sprecher der CMS-Gruppe, Tiziano Caporesi, zeigte sich ratlos. Seine Kollegen wüssten noch nicht, wie sie die Daten interpretieren sollen. Der Buckel in der Zerfallkurve sei aufgetaucht, als man in den Teilchenzerfällen nach Signaturen eines hypothetischen Teilchens, dem Graviton, Ausschau gehalten hat. Das Graviton ist das hypothetische Eichboson einer Quantentheorie der Gravitation.

          Für Maxim Perelstein, einem Theoretiker von der Cornell University in Ithaca (New York), muss das vermeintliche Boson mit Masse 750 GeV kein exotisches Teilchen sein. Seiner Meinung nach könnte es sich um eine schwere Variante des Higgs-Boson handeln. Ihn würde es nicht wundern, wenn das Signal sich als echt herausstellen würde.

          Bei aller Diskussion ist eines klar: Die Forscher von CMS und Altas brauchen mehr Daten um eindeutige Aussagen machen zu können. Es gab schon einmal einen Fall in Genf, bei dem sich ein vermeintliches Teilchen wieder in Luft auflöste. Ende Juli 2011 hatte man in den Messdaten eine erhöhte Zahl sogenannter W-Bosonen nachgewiesen, wie sie beim Zerfall eines Higgs-Teilchens entstehen sollen. Als man Ende des Jahres mehr Daten gesammelt hatte, verschwand der Buckel in der Zerfallskurve und damit die aufkeimende Hoffnung. Erst im darauffolgenden Jahr war die Datenlage so eindeutig, dass man mit klaren Beweisen für die Existenz des Higgs-Bosons aufwarten konnte. Allerdings bei einer anderen Energie.

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