Geist in der Maschine: Atom Smasher 'New Particle' war Illusion

Wenn Sie nach verlorenen Schlüsseln suchen, können die Orte, an denen Sie sie nicht sehen, manchmal dazu beitragen, dass Sie eingrenzen, wo sie sich befinden. In der Wissenschaft geht die Suche nach neuer Physik oft einen ähnlichen Weg.

Im Dezember 2015 dachten Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) - dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt -, dass sie möglicherweise einen Hauch eines brandneuen Teilchens und damit ein Fenster in die Physik gesehen haben, das weit über das hinausgeht, was Wissenschaftler heute wissen. Aber die Ergebnisse entpuppten sich als Geister, ein statistischer Zufall.

Doch trotz des negativen Ergebnisses zeigt die Tatsache, dass es dort nichts gibt, dass die herrschenden Theorien der Teilchenphysik bemerkenswert gut funktionieren, sagten Experten. Aber dieses Ergebnis vertieft nur die Geheimnisse, die Physiker zu lösen versuchen, und treibt sie dazu, herauszufinden, wo neue Teilchen oder Kräfte sich verstecken könnten.

"Die schlechte Nachricht ist, nichts zu zeigen", sagte der theoretische Physiker Matt Strassler. "Die gute Nachricht ist, dass es wirklich gut funktioniert hat, nichts zu zeigen."

Strassler selbst hat kürzlich bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN), die den LHC betreibt, einen Vortrag darüber gehalten, was aus solchen Ergebnissen oder aus deren Fehlen gelernt werden kann. "Es ist wie wenn du schielst, etwas zu sehen - manchmal wirst du etwas sehen, und manchmal wird es eine Illusion sein", sagte Strassler zu Live Science.

Hochenergie-Kollisionen

Der LHC nutzt etwa 9.600 massive Magnete, um Protonenströme in einem 27 Kilometer langen Ring zu zirkulieren. Diese Protonen werden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zusammengeschlagen. Die resultierenden Kollisionen lösen Kaskaden von subatomaren Teilchen und Strahlung aus, die Hinweise auf die Bausteine ​​der Materie liefern können.

Nach einer zweijährigen Pause für Upgrades wurde der LHC letztes Jahr wieder hochgefahren, diesmal mit höheren Energien.

Was Wissenschaftler im Dezember herausgefunden hatten, war, dass zwei Erkennungssysteme, eines namens ATLAS und das andere CMS genannt, eine merkwürdige Beule in den Energiediagrammen im Vergleich zu "Ereignissen" vorfanden. (Ereignisse sind im Wesentlichen Detektionen von Photonen oder Teilchen.)

Die Beule war groß genug, dass sie für Wissenschaftler interessant schien. Wenn es real wäre, hätte es ein Teilchen sein können, das niemand zuvor bei Energien von 750 Milliarden Elektronenvolt (GeV) gesehen hat. Während des aktuellen Laufs des LHC kann es Energien von fast 13 Billionen Elektronenvolt (TeV) erreichen.

Daten von den Trümmern

Wenn sie zertrümmert werden, wird die Energie, die die Protonen tragen, in Teilchen mit jeweils einer charakteristischen Energie umgewandelt. Die meisten dieser Teilchen sind jedoch kurzlebig und zerfallen in andere Teilchen und Photonen.

Aus diesem Grund sind Partikeldetektionen oft indirekt. Dies geschah im Jahr 2012, als Wissenschaftler das Higgs-Boson entdeckten, das Elementarteilchen, von dem angenommen wird, dass es erklärt, wie andere Teilchen ihre Masse erhalten. Und deshalb war die letzte Beule so faszinierend.

Jetzt zeigen neue Daten aus dem CMS, die seit Dezember gesammelt wurden, dass der 750 GeV Bump wahrscheinlich eine Illusion war - ein statistisches Artefakt, wie es manchmal in solchen Experimenten vorkommt, sagte Michael Peskin, ein theoretischer Physiker am SLAC National Accelerator Labor.

Schon im Dezember hatten einige Physiker - darunter auch Peskin - Zweifel. Er wies darauf hin, dass die Teams, die an der LHC arbeiteten, eine Erklärung abgegeben hatten, in der stand, dass sie praktisch keine ausstellten. "Die Aussage sagte, die statistische Signifikanz sei zu niedrig, um eine Beobachtung zu melden", sagte Peskin.

Aber das heißt nicht, dass es ein nutzloses Ergebnis ist, sagte Strassler. Es bedeutet auch nicht, dass die Flut von Papieren, die darüber theoretisieren, was die Beobachtung sein könnte, einfach falsch und nicht wert der Überlegung sind, fügte er hinzu. Solche Arbeit kann oft wichtige Einsichten geben.

"Dieser Prozess, sicherzugehen, dass nichts verpasst wurde, wird länger dauern als etwas zu entdecken", sagte er. "Manchmal sind Dinge bei 750 GeV relevant für ein 10 Mal kleineres Teilchen, das noch nicht entdeckt wurde."

Auf der hellen Seite

Negative Ergebnisse wie diese sind auch wichtig, weil sie zeigen, wo die konzeptionellen Probleme mit aktuellen Theorien liegen könnten. In diesem Fall ist die Theorie das Standardmodell, die herrschende Theorie in der Physik, die die Schar subatomarer Teilchen beschreibt, aus denen das Universum besteht.

Aber Phänomene wie die dunkle Materie, das unsichtbare Zeug, von dem angenommen wird, dass es 85 Prozent der Materie im Universum ausmacht, deuten darauf hin, dass das Standardmodell nicht vollständig ist. Und es fällt Physikern und Kosmologen schwer zu erklären, warum das Universum eher von Materie als von Antimaterie dominiert wird, oder warum das Higgs-Feld, das den Dingen Masse gibt, die Stärke ist, die es ist.

"Für das Higgs-Boson müssen wir schließlich sagen: So ist es", sagte Peskin. "Und ich mag es nicht, das sagen zu müssen." Es muss einen Grund geben, fügte er hinzu, dass das Higgs-Feld so aussieht, wie es ist, und das Standard-Modell selbst liefert nicht wirklich die Antwort.

Hier können negative Ergebnisse nützlich sein. Zum Beispiel gibt es viele Erweiterungen des Standardmodells, die etwas vorschlagen, das als Supersymmetrie oder SUSY bezeichnet wird. Diese Theorien sagen, dass jedes Teilchen ein noch zu entdeckendes Partnerpartikel hat. Die Existenz solcher Partner würde Physikern helfen zu verstehen, warum das Higgs-Boson den Wert hat, den es hat (und es sagt voraus, dass es auch ein supersymmetrisches Partner für das Higgs gibt).

Im Laufe der Jahre haben negative Ergebnisse dazu beigetragen, die SUSY-Modelle einzugrenzen, die funktionieren, sagte Peskin. "Grundsätzlich ist jedes SUSY-Modell, das Mitte der 2000er Jahre auf dem Tisch lag, jetzt ausgeschlossen", sagte er. Das bedeutet nicht, dass SUSY falsch ist, aber es hilft den Forschern, sich auf die theoretische Arbeit zu konzentrieren.

Lehren aus der Geschichte

Die Wissenschaftsgeschichte verzeichnet eine Reihe negativer Ergebnisse, die zu größeren Erkenntnissen geführt haben.Im Jahr 1887 führten Albert Michelson und Edward Morley ein Experiment durch, um den Äther zu finden, ein vorgeschlagenes Medium, von dem angenommen wurde, dass es Lichtwellen trägt. Wenn der Äther existiert, hätte sich die Lichtgeschwindigkeit je nach Strahlrichtung ändern müssen. Albert Einstein nutzte dieses negative Ergebnis als Teil der Formulierung seiner Relativitätstheorie, die besagt, dass sich die Raumzeit selbst ändert, um die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugsrahmen gleich zu halten .

Das Problem war die Art, wie Menschen Lichtwellen konzipierten. "Vielleicht waren Wellen anders als andere Wellen, die wir kannten", sagte Strassler, da sie kein Medium brauchten, um durch zu reisen.

Strassler stellte fest, dass noch niemand einen solchen fundamentalen Sprung gemacht hat. Im Fall von Michelson-Morley zum Beispiel wurde klar, dass Lichtwellen kein Medium benötigen. Für Teilchenphysiker ist noch nicht einmal klar, was die Erkenntnis sein muss. Es ist möglich, dass das Problem technischer Natur ist und Wissenschaftler nur bessere Beschleuniger und Detektoren brauchen, um neue Partikel zu finden. Oder es könnte konzeptionell sein, wie es für Michelson und Morley war, sagte Strassler.

Einige Physiker sagen, dass das negative Ergebnis wahrscheinlich keine Bedeutung haben wird, nur ein statistischer Geist zu sein. "Wir wissen, dass das Standardmodell keine vollständige Theorie ist, und dass es auf einer Energieskala erweitert werden muss. Aber theoretisch gibt es Millionen möglicher Erweiterungen, und wir brauchen einen Hinweis vom Experiment, der der richtige ist." sagte Adam Falkowski, ein theoretischer Teilchenphysiker am Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Paris, und Co-Autor eines Papiers, das die Auswirkungen des 750 GeV-Höckers beschreibt, der ein wirklicher Effekt ist.

Dennoch könnte das Ergebnis in gewisser Hinsicht hilfreich sein, sagte Nhan Tran, Postdoktorand am Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois: "Es trägt zu unserem Wissen bei, was nicht da ist", sagte er. "Wir helfen uns, uns darauf zu konzentrieren, wo wir hinschauen sollten."

Seinerseits sagte Peskin, er glaube, dass der Vergleich zwischen aktuellen Experimenten am LHC und frühen Arbeiten, um den vorgeschlagenen Äther zu finden, etwas übertrieben ist. "Michelson Morely blies die vorherige Theorie weg", sagte er. Das Standardmodell sei fester, sagte er. Er fügte jedoch hinzu, dass Ergebnisse wie dieser ihn hinsichtlich Ideen wie SUSY weniger zuversichtlich machen. "Ich glaube dran, Dienstag, Donnerstag und Samstag", sagte er. "An anderen Tagen denke ich, es könnte alles Mögliche sein."

Gleichzeitig sei der LHC ein mächtiges neues Werkzeug, sagte Peskin. "Unsere Fähigkeit, SUSY-Teilchen zu erkennen, ist viel mächtiger", sagte er. "Wenn du glaubst, dass sie da sind, könnte es im nächsten Jahr kommen."

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