Ansicht aus verschiedenen Perspektiven auf den ATLAS-Detektor am CERN.

„Auch ein Sechser im Lotto kommt mal vor“

Das Jahr 2016 hätte für die Teilchenphysik sensationell werden können. Im Dezember 2015 hatten Wissenschaftler einen auffälligen Ausreißer in den Messdaten des LHC entdeckt und die Spannung war groß: Würde sich durch weitere Messergebnisse ein neues Teilchen bei 750 Gigaelektronenvolt bestätigen lassen? Hunderte von Publikationen in Fachzeitschriften spekulierten über mögliche Interpretationen der beobachteten Signatur und die neue Physik jenseits des perfekt bestätigten Standardmodells schien greifbar. Doch die Hoffnungen wurden enttäuscht – die neuen Daten haben das Signal nicht bestätigt. Peter Mättig von der Universität Wuppertal, der am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN forscht, sprach mit Welt der Physik über zufällige Schwankungen in den Messdaten und darüber, wie es mit der Teilchenphysik nun weitergeht.

Welt der Physik: Herr Mättig, im März sagten Sie uns, dass wir Ende dieses Jahres sicher sein können, was es mit dem potenziellen neuen Elementarteilchen auf sich hat. Sind wir jetzt sicher?

Portrait Peter Mättig
Peter Mättig

Peter Mättig: Ja, das sind wir. Wir hatten von Anfang an vor voreiligen Schlüssen gewarnt und inzwischen deutet alles darauf hin, dass der auffällige Ausreißer bei 750 Gigaelektronenvolt in den Messdaten am LHC eine statistische Fluktuation war, also einfach nur Zufall. So wie man eben manchmal einen Sechser im Lotto hat. Was auch nicht so häufig vorkommt, aber es kommt vor.

Nur dass hier zwei gleichzeitig den Sechser im Lotto hatten. Der Ausreißer bei 750 Gigaelektronenvolt wurde ja an den beiden LHC-Detektoren CMS und ATLAS gemessen.

Das stimmt. Und diese doppelte Messung hat es noch einmal wahrscheinlicher gemacht, dass die Auffälligkeit in den Messdaten wirklich etwas bedeutet. Aber wir gehen inzwischen vom Gegenteil aus. Wir haben die Messungen nochmals untersucht und nichts gefunden, was darauf hinweisen würde, dass im Detektor irgendetwas falsch gelaufen ist. Es war also Zufall, in diesem Fall eben ein doppelter.

Sind denn jetzt alle Messdaten ausgewertet? Wie oft wurde nachgemessen?

Wir messen mit den Detektoren am LHC ja kontinuierlich – also wir nehmen die ganze Zeit Daten, die dann analysiert werden können. Zusammengefasst und veröffentlicht haben wir die Ergebnisse dann auf den Sommerkonferenzen – und die sprachen ja schon recht eindeutig gegen ein neues Teilchen. Vor einem Monat haben wir nun die Datenaufnahme beendet, die Daten müssen genauer verstanden werden und sind deswegen noch nicht öffentlich. Voraussichtlich präsentieren wir sie im März 2017 auf der Winterkonferenz der Teilchenphysik in Moriond und vorher können wir Ihnen nichts sagen.

Auch nicht, ob wenigstens noch ein Funken Hoffnung besteht?

Wenn die neuen Ergebnisse signifikant in eine andere Richtung gegangen wären als im Sommer, wären Gerüchte dazu bestimmt schon durchgesickert.

Aufgetragen sind im Diagramm waagerecht die Energie in Gigaelektronenvolt und senkrecht die Anzahl der Ereignisse.
Messdaten des ATLAS-Experiments

Sind wir denn jetzt genauso schlau wie vorher bezüglich des Standardmodells der Teilchenphysik?

Wir sind uns immerhin sicherer als jemals zuvor, dass dieses Modell fantastisch funktioniert. Das können wir jetzt sagen, weil wir sehr viel mehr und sehr viel präzisere Messungen haben. Auch bei höheren Energien, nämlich 13 anstelle von 8 Teraelektronenvolt, funktioniert das Modell immer noch einwandfrei. Also wir haben das Modell mal wieder bestätigt – mit größerer Präzision und bei höheren Energien. Dabei hatten wir natürlich eigentlich auf etwas anderes gehofft. Denn mit dem Standardmodell gibt es einfach – so toll es ist – Probleme.

Warum sind Sie mit einem perfekt bestätigten Modell nicht zufrieden? Was sind die Defizite des Standardmodells?

Das Standardteilchenmodell kann nicht das letzte Wort sein. Da sind wir uns fast alle einig. Zum einen sind da die intrinsischen Probleme. Wir haben zum Beispiel eine Wiederholung der Quarks und Leptonen. Das heißt, wir sehen drei Generationen von Teilchen, die fast identisch sind – bis auf die Masse. Das ergibt einfach keinen Sinn. Ebenso die drei Wechselwirkungen: elektromagnetische, starke und schwache. Deren Mechanismus ist eigentlich der gleiche und auch die Eigenschaften sind sich sehr ähnlich. Da stellt man sich natürlich die Frage, ob man die drei Wechselwirkungen nicht durch eine gemeinsame Kraft erklären kann. So wie früher die Elektrostatik und der Magnetismus als separate Kräfte galten und erst Maxwell sie dann zur elektromagnetischen Kraft vereinheitlichte.

Wäre es nicht noch schöner alle vier Wechselwirkungen zu einer übergeordneten Kraft zusammenzufassen?

Der Graph zeigt fünf unterschiedliche Linien, die alle im Zeitverlauf ansteigen. Auf der y-Achse ist die Teilchenkollisionsrate und auf der x-Achse die Zeit aufgetragen. Für 2016 ist der Anstieg am steilsten.
Gesteigerte Kollisionsrate

Ja, natürlich. Da wären wir auch schon bei den anderen Problemen des Modells. Es gibt Phänomene, die man mit dem Standardmodell der Teilchenphysik überhaupt nicht erfassen kann. Da fällt einem natürlich sofort die vierte Kraft ein, die Gravitation. Die sollte in einer umfassenden Theorie auf jeden Fall enthalten sein. Auch die Teilchen, aus denen die Dunkle Materie und somit etwa 23 Prozent unseres Universums besteht, kommen in unserem Modell nicht vor. Deshalb lässt sich ganz klar sagen: Das Standardmodell muss Teil einer umfassenderen Theorie sein.

Aber wo wollen Sie die neue Physik finden, nachdem es am LHC bisher nicht geklappt hat?

Der LHC ist noch längst nicht am Ende. Da haben wir ja erst ein Hundertstel der Statistik gesammelt, die wir bis zum Ende der Laufzeit in zwanzig Jahren erwarten. Mit dieser höheren Statistik können wir präziser messen und auch höhere Energiebereiche erforschen. Denn die Protonen, die am LHC kollidieren, sind für uns nur Mittel zum Zweck. Eigentlich interessieren wir uns für deren Bestandteile, die Quarks und Gluonen. Wenn wir jetzt die Luminosität des Beschleunigers – also die Kollisionsrate – erhöhen, erhöhen wir damit auch die Chance, Kollisionen von Quarks mit sehr hoher Energie zu sehen. Das ermöglicht uns weit jenseits der 750 Gigaelektronenvolt nach neuen Teilchen mit zehnfach höherer Energie zu suchen – oder sogar noch mehr. Da sind natürlich die Vorhersagen der Supersymmetrie sehr hoch auf der Agenda. Und wenn die bei sieben oder acht Teraelektronenvolt auftritt, dann hat der LHC gute Chancen, sie zu finden.

Wie kann ich mir das vorstellen? Wie „findet“ man mit einem Teilchenbeschleuniger die Supersymmetrie?

Die populärste Signatur für Supersymmetrie ist das vorhergesagte Dunkle-Materie-Teilchen. Einen Hinweis darauf hätten wir, wenn in unserem Detektor plötzlich Energie „fehlt“. Dann wüssten wir – da Energieerhaltung gilt –, dass etwas produziert wurde, was wir im Detektor nicht messen können. Das könnten auch Neutrinos sein, aber da wissen wir ziemlich genau, wie die produziert werden. Und wenn wir Neutrinos ausschließen können, hätten wir – zumindest bei dem bekanntesten Vorschlag für Supersymmetrie – einen Kandidaten für Dunkle Materie. Aber das ist, wie gesagt, nur die prominenteste Signatur.

Ansicht aus verschiedenen Perspektiven auf den ATLAS-Detektor am CERN bei der Messung.
Ereignis im ATLAS-Detektor

Ein anderer Aufreger in der Teilchenphysik kam dieses Jahr aus Ungarn. Da wollten Forscher eine fünfte Kraft entdeckt haben. Hat sich das inzwischen auch erledigt?

Zumindest hat meines Wissens niemand die Messung definitiv bestätigt. Allerdings muss ich auch zugeben, dass ich das nicht so intensiv verfolgt habe. Damit stehe ich aber wohl nicht alleine – es gab auch in der Fachliteratur keine größere Diskussion dieser Behauptung.

Und was ist Ihre Prognose: Wie wird es mit der Teilchenphysik nun weitergehen?

Wir sind jetzt in eine völlig neue Phase eingetreten. In den letzten vierzig Jahren konnten wir in der Teilchenphysik immer sagen: „Wir gehen auf diese Energie und werden dann dieses oder jenes Teilchen finden, welches im Standardmodell vorhergesagt ist.“ Aber diese Zeiten sind vorbei. Wir haben alles im Standardmodell gefunden, was möglich ist, und nun wird die Teilchenphysik wieder zu einer explorativen Wissenschaft. Sie ist jetzt „data driven“, wie auch Ian Shipsey aus Oxford im Schlusswort der internationalen Jahrestagung der Teilchenphysik gesagt hat. Das heißt, wir suchen in Experimenten neue Physik und wenn wir etwas gefunden haben, sind die Theoretiker dran. Die müssen dann erklären, was wir beobachten und warum – und das ist genau das, was der Physiker und Wissenschaftsphilosoph Thomas Kuhn als „normale Wissenschaft“ bezeichnet.