Neues Experiment bricht Regeln der Physik — und deutet auf eine mysteriöse unbekannte Kraft hin, die unser Universum geformt hat

Aylin Woodward
·Lesedauer: 5 Min.

Eines der allgegenwärtigsten Teilchen im Universum, das Myon, gibt Forscherinnen und Forschern in der Physik Rätsel auf: Es verhält sich nicht, wie sie es erwarten.

Tatsächlich weicht das Myon so sehr von den physikalischen Gesetzen ab, dass die physikalische Forschung inzwischen davon ausgeht, ihre Gesetzesannahmen noch einmal überprüfen zu müssen.

Gibt es eine Kraft im Universum, von der wir noch nichts wissen?

Myonen sind wie dicke Elektronen: Sie haben eine negative Ladung, sind aber 207 Mal schwerer als Elektronen. Dank ihrer Ladung und eines Drehimpulses, der Spin genannt wird, verhalten sie sich wie winzige Magneten. Werden Myonen in ein anderes Magnetfeld getaucht, kommt es zu einem winzigen Rotieren.

In einer Studie, die diese Woche veröffentlicht wurde, berichten Physiker am Fermi National Accelerator Laboratory, kurz Fermilab, im US-Bundesstaat Illinois von einer Diskrepanz zwischen der Frequenz, in der Myonen rotieren sollten, und dem tatsächlichen Ausmaß, in dem sie sich während eines Laborexperiments drehten. Viele Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass an der Reaktion Teilchen oder Kräfte beteiligt sein müssen, die wir noch nicht entdeckt und erforscht haben, so erheblich ist der Unterschied.

Die Entdeckung liefert neue Beweise dafür, dass etwas Geheimnisvolles und bislang Unbekanntes bei der Entstehung unseres Universums eine Rolle gespielt hat – eine Kraft, die in den bestehenden Regeln der Physik bislang nicht vorzufinden ist. „Diese neue Messung könnte tatsächlich den Beginn einer Revolution unseres Verständnisses der Natur markieren“, sagt Thomas Teubner in einem Gespräch mit Insider. Er ist Physiker der Universität Liverpool und Co-Autor der neuen Studie.

Es ist möglich, dass dieses unbekannte Phänomen auch mit der dunklen Materie zusammenhängt, einem Teil der Materie im All, die nicht sichtbar ist und sich nur durch die Gravitationskraft bemerkbar macht. Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie kurz nach dem Urknall entstanden ist und etwa ein Viertel des gesamten Universums ausmachen.

Myonen werden mit Lichtgeschwindigkeit in einen Metallkreis geschossen

Dringen kosmisch Strahlen in die Erdatmosphäre ein, entstehen Myonen. Jede Sekunde treffen mehrere hundert Myonen auf unseren Kopf. Sie können Objekte durchdringen, ähnlich wie Röntgenstrahlen. Mithilfe von Myonen konnten Forscher vor einigen Jahren eine bis dahin verborgene Kammer in einer großen ägyptischen Pyramide entdecken. Allerdings halten sich die Myonen maximal zwei Sekunden lang. Danach zerfallen sie in Cluster aus leichteren Teilchen.

Während seiner kurzen Existenz bleibt jedes Myon um einen einzigen Punkt herum ausgerichtet, ähnlich wie ein Kompass, der immer nach Norden zeigt. Trifft ein Teilchen aber auf ein Magnetfeld, verschiebt sich die Ausrichtung eines Myons leicht von dem Punkt weg. Diese entscheidende Bewegung, bekannt als g-Faktor, wird im Fermilab-Experiment untersucht.

Ein riesiger Elektromagnet beginnt 2013 seine 5.000 Kilometer lange Reise vom Brookhaven National Laboratory in Long Island, New York, zum Fermilab in Batavia, Illinois.
Ein riesiger Elektromagnet beginnt 2013 seine 5.000 Kilometer lange Reise vom Brookhaven National Laboratory in Long Island, New York, zum Fermilab in Batavia, Illinois.

Das Fermilab ist ein Projekt des US-Ministeriums für Energie, das in Zusammenarbeit mit der Universität von Chicago durchgeführt wird. Wissenschaftler können dort Myonen für Experimente künstlich erzeugen, indem sie einen Strahl von Protonen mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers mit enormer Geschwindigkeit auf Metall treffen lassen. Die Forscher hinter der neuen Studie erzeugten diese Myonen und leiteten sie in einen kreisförmigen Elektromagneten mit einem Durchmesser von 15 Meter ein. Die Myonen rasten anschließend mit nahezu Lichtgeschwindigkeit mehr als 1.000 Mal um den Kreis. Wenn Myonen in der Maschine zerfallen, können ultraempfindliche Detektoren messen, in welche Richtung sich die entstehenden kleineren Teilchen bewegen. Mit dieser Information können Physiker dann berechnen, wo sich der Fixpunkt jedes Myons befindet.

Tausende von Menschen in Batavia, Illinois, begrüßten 2013 den Myon-g-2-Magneten (in rot und weiß) beim Fermilab.
Tausende von Menschen in Batavia, Illinois, begrüßten 2013 den Myon-g-2-Magneten (in rot und weiß) beim Fermilab.

Mit Hilfe des Standardmodells der Physik, das alles umfasst, was wir über das Verhalten von Teilchen wissen, sollte es möglich sein, das genauen Ausmaß zu berechnen, mit dem Myonen rotieren. Das Fermilab-Team stellte jedoch bei seinem Experiment fest, dass das Kreiseln der Myonen nicht mit den berechneten Erwartungen übereinstimmte. Stattdessen lag es um ein Drittel von einem Millionstel Prozent daneben. Dieser Unterschied mag überraschend wenig klingen. Physiker Teubner sagte jedoch, dies sei tatsächlich „ein Meilenstein für die Teilchenphysik“.

Es ist unwahrscheinlich, dass die Ergebnisse des Experiments fehlerhaft sind. Denn das Team fand heraus, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Diskrepanz in ihrer Messung auf einen Zufall zurückzuführen ist, bei gerade einmal eins zu 40.000 liegt. „Dies ist ein starker Beweis dafür, dass das Myon empfindlich auf etwas reagiert, das nicht in unseren Theorien wiederzufinden ist“, sagte Renee Fatemi, einer der Manager des Fermilab-Myon-Experiments, in einer Pressemitteilung.

Ein 20 Jahre altes Geheimnis

Die Momentaufnahme des Transiting Exoplanet Survey Satellite von der Großen Magellanschen Wolke (rechts) und dem hellen Stern R Doradus (links), 7. August 2018.
Die Momentaufnahme des Transiting Exoplanet Survey Satellite von der Großen Magellanschen Wolke (rechts) und dem hellen Stern R Doradus (links), 7. August 2018.

Es ist nicht das erste Mal, dass sich Myonen anders verhalten, als es die gängigen Theorien der Wissenschaft vorhersagen würden. Im Jahr 2001 führte das Brookhaven National Laboratory in New York ein ähnliches Experiment mit demselben riesigen Elektromagnet durch. Auch diese Ergebnisse zeigten eine abweichende Rotationsbewegung der Myonen. Allerdings hatten die Ergebnisse dieses Experiment eine geringere statistische Signifikanz als die vom Fermilab: Damals lag die Chance, dass es sich um einen Zufall handelte, bei eins zu 1.000.

Nun bestätigen die Fermilab-Ergebnisse, was die Physiker vom Brookhaven-Experiment vor 20 Jahren entdeckten – und das „hat die Diskrepanz, die bereits mit dem alten Ergebnis festgestellt wurde, noch faszinierender gemacht“, so Teubner. Es wird erwartet, dass das Fermilab innerhalb der nächsten zwei Jahre Daten von zwei weiteren ähnlichen Experimenten veröffentlichen wird. Ein viertes Experiment ist bereits im Gange, ein fünftes in Planung.

Was auch immer die Myonen beeinflusst - es könnte eine Verbindung zur dunklen Materie haben

Zwei Wissenschaftler am Fermilab arbeiten an einem Detektor, der nach dunkler Materie sucht. (2014)
Zwei Wissenschaftler am Fermilab arbeiten an einem Detektor, der nach dunkler Materie sucht. (2014)

Laut Teubner ist möglicherweise eine unbekannte Kraft, die nicht nach dem Standardmodell der Physik agiert, für die abweichende Bewegung der Myonen verantwortlich. Diese Kraft, so der Mitverfasser der Studie, könnte auch die Existenz der dunklen Materie und eventuell sogar der dunklen Energie erklären. Die dunkle Energie soll eine Schlüsselrolle bei der Beschleunigung der Expansion des Universums gespielt haben. „Theoretikerinnen und Theoretiker fänden es reizvoll, mehr als ein Problem auf einmal zu lösen“, sagte Teubner.

Eine Hypothese, die sowohl auf Myonen als auch auf die dunkle Materie zutreffen könnte, sei, dass Myonen und alle anderen Teilchen fast identische Partnerteilchen haben, die in schwacher Wechselwirkung mit ihnen stehen. Das Konzept ist als Supersymmetrie bekannt. Die vorhandenen Technologien des Fermilabs sind allerdings nicht empfindlich genug, um diese Annahme zu testen. Außerdem, so fügte Teubner hinzu, könnte es sein, dass der mysteriöse Einfluss auf die Myonen gar nicht mit der dunklen Materie zusammenhängt. Fest steht: Die Regeln der Physik könnten also in mehr als einer Hinsicht unzureichend und noch unvollständig sein.

Dieser Artikel wurde von Julia Knopf aus dem Englischen übersetzt und editiert. Das Original lest ihr hier.