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Physik

Spannendes Forschungsjahr 2012

Funktioniert die Welt ganz anders, als wir sie bislang verstehen? Physiker haben 2011 Hinweise auf neue Naturgesetze erspäht - das kommende Jahr soll nun Klarheit bringen.

Physiker sind dem Nachweis des Higgs-Teilchen einen bedeutenden Schritt näher gekommen.

Genf/Chicago. Überlichtgeschwindigkeit, eine geheimnisvolle fünfte Kraft und die erstaunliche Asymmetrie der Antimaterie - gleich mehrere physikalische Rätsel harren im kommenden Jahr ihrer Lösung. Ganz oben auf der Fahndungsliste der Physiker steht das Higgs-Teilchen, der Schlussstein des erfolgreichen Standardmodells vom Aufbau der Materie. Erste Hinweise auf seine Existenz sind zwar gefunden, sichere Ergebnisse soll es aber erst 2012 geben. Bleibt es doch verschwunden, soll durch die klaffende Lücke im Standardmodell eine neue Physik sichtbar werden.

Physiker haben 2011 gleich mehrmals Fachwelt und Öffentlichkeit verblüfft. Die größten Wellen schlug die Messung scheinbar überlichtschneller Elementarteilchen. Haben Neutrinos tatsächlich die oberste Geschwindigkeitsbeschränkung aus Albert Einsteins Relativitätstheorie durchbrochen? Nach den im September veröffentlichten Messungen des OPERA-Experiments sind die geisterhaften Teilchen im Mittel 60 milliardstel Sekunden (60 Nanosekunden) zu schnell die rund 700 Kilometer lange Strecke von ihrer Quelle in Genf bis zu den Nachweisgeräten in den italienischen Abruzzen geflogen.

Klarheit durch MINOS-Experiment

Nicht viele Forscher glauben daran, dass Einstein sich geirrt hat. Zwar hat ein zweiter OPERA-Versuch die ursprünglichen Analysen im November bestätigt. Fast zeitgleich kamen die OPERA-Labornachbarn von ICARUS jedoch zu dem Schluss, dass ihre Daten überlichtschnelle Neutrinos ausschließen. Denn die müssten auf dem Weg ihre meiste Energie verlieren, wie das Team in einem Fachaufsatz argumentiert. Das sei nach den ICARUS-Messungen jedoch nicht der Fall.

Klarheit könnte im kommenden Jahr das MINOS-Experiment in den USA bringen: Es wird gerade umgebaut und könnte die OPERA-Messungen anschließend in vier bis sechs Monaten widerlegen, wie Sprecherin Jenny Thomas dem Magazin „Physics World“ sagte. Eine mögliche Bestätigung würde hingegen deutlich länger dauern.

Ähnlich viel Aufsehen erregten die Anzeichen einer bislang unentdeckten, fünften Naturkraft am US-Teilchenbeschleunigerzentrum Fermilab bei Chicago. Einer der gigantischen Teilchendetektoren am Beschleuniger Tevatron, CDF, hatte Hinweise auf ein unbekanntes Elementarteilchen gefunden, das auf eine bislang hypothetische Kraft namens Technicolor deutet. Diese Kraft wäre eine Variante der Kernkraft und könnte auch die bislang in der Physik ungelöste Frage beantworten, wie Materie zu ihrer Masse kommt. Das Higgs-Teilchen, das Physiker seit fast einem halben Jahrhundert intensiv suchen, wäre damit überflüssig.

Allerdings erhielten die Spekulationen bereits einen herben Dämpfer: Zwar bestärkte eine erweiterte Datenauswertung von CDF zunächst die Vermutungen. Im Schwesterdetektor D0, der ebenso am Tevatron steht, zeigte sich jedoch keinerlei Signatur eines unbekannten Teilchens. „Wir haben in mehr als 200.000 Milliarden Teilchenkollisionen gesucht, und wir sehen keinen Überschuss wie er von CDF berichtet wurde“, betonte D0-Sprecher Dimitri Denisov.

Das Tevatron ist mittlerweile abgeschaltet, aber auch am derzeit größten Teilchenbeschleuniger, dem LHC, ließ sich das unbekannte Teilchen bislang nicht blicken. Dafür entdeckten die Physiker dort Hinweise auf einen sehr viel größeren Unterschied zwischen Materie und Antimaterie als er vom gegenwärtigen Standardmodell vorausgesagt wird. Beim Vergleich der Zerfallsraten sogenannter D0-Teilchen und ihrer Antiteilchen stellten die Physiker einen rund acht Mal größeren Unterschied fest als erwartet.

Erklärungen gesucht

Allerdings ist dieser Hinweis noch nicht besonders deutlich. „Bislang haben wir nur 60 Prozent der verfügbaren Daten aus 2011 analysiert“, erläuterte der Sprecher der LHCb-Gruppe, Pierluigi Campana. Im kommenden Jahr soll sich zeigen, ob aus dem Hinweis eine Entdeckung wird. Welches physikalische Phänomen da am Werk sein könnte, ist noch unbekannt. Es würde jedoch zur Erklärung beitragen, warum unser Universum heute nur mit Materie gefüllt ist, obwohl im Urknall gleich viel Antimaterie entstanden sein muss.

Dem Nachweis des Higgs-Teilchen sind LHC-Physiker inzwischen einen wichtigen Schritt nähergekommen. Das mögliche „Versteck“ des Elementarteilchens sei weiter eingeschränkt worden, berichteten Forscher der beiden großen Detektoren ATLAS und CMS beim Europäischen Teilchenforschungszentrum Cern nahe Genf. Das Higgs-Teilchen soll im Standardmodell der Materie ihre Masse verleihen. Die Suche nach dem Higgs-Boson gehört zu den wichtigsten Aufgaben des Beschleunigers.

Mehrere Messungen wiesen auf den Energiebereich zwischen 124 und 126 Gigaelektronenvolt (GeV) hin. Noch lägen aber nicht ausreichend Daten vor, um einen Zufall statistisch sicher ausschließen zu können, berichteten die Physiker. Spätestens Ende 2012 soll es Klarheit geben.

Ein Ausschluss des Higgs-Teilchens wäre das bedeutsamere und schwerwiegendere Ergebnis, weil es eine ganz neue Physik aufzeigen würde, die das erfolgreiche Standardmodell ergänzt. Die tiefgreifende Bedeutung eines Higgs-Ausschlusses ist allerdings schwer zu vermitteln. In einem Strategiepapier des Cern-Direktoriums heißt es dazu: „Der Nachweis des Higgs-Teilchens wäre eine Entdeckung. Sein Ausschluss wäre eine Revolution.“

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