Illustration einer Protonenkollision, bei der ein Schauer elementarer Teilchen, einschließlich des Top-Quarks, entsteht (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Gibt es eine Tages- oder Nachtzeit, zu der das schwerste Elementarteilchen der Natur aufhört, den Einsteinschen Regeln zu gehorchen? Die Antwort auf diese Frage, so bizarr sie auch erscheinen mag, könnte den Wissenschaftlern etwas sehr Wichtiges über die physikalischen Gesetze sagen, die den Kosmos regieren.
In einem erstmalig durchgeführten Experiment am leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC), haben Wissenschaftler versucht herauszufinden, ob das schwerste Elementarteilchen des Universums – ein Teilchen, das nicht aus anderen kleineren Teilchen besteht – immer Einsteins spezieller Relativitätstheorie von 1905 gehorcht.
Genauer gesagt wollte das Team, das den Compact Muon Solenoid (CMS)-Detektor des LHC betreibt, wissen, ob eine der Regeln, auf denen die Spezielle Relativitätstheorie beruht, die sogenannte „Lorentz-Symmetrie“, für Top-Quarks immer gilt.
Die Lorentz-Symmetrie besagt, dass die physikalischen Gesetze für alle Beobachter, die nicht beschleunigt werden, gleich sein sollten. Das bedeutet, dass die Ergebnisse eines Experiments unabhängig von der Ausrichtung des Experiments oder der Geschwindigkeit, mit der es durchgeführt wird, sein sollten.
Es gibt jedoch Theorien, die besagen, dass die spezielle Relativitätstheorie bei extrem hohen Energien aufgrund einer Lorentz-Verletzung oder eines Bruchs der Lorentz-Symmetrie versagt.
Die physikalischen Gesetze könnten sich also für Beobachter in verschiedenen Bezugssystemen unterscheiden. Das würde bedeuten, dass experimentelle Beobachtungen von der Ausrichtung des Experiments in der Raumzeit (der vierdimensionalen Vereinigung von Raum und Zeit) abhängen würden. Das würde viele unserer besten Theorien über den Kosmos ins Wanken bringen, einschließlich des Standardmodells der Teilchenphysik, das auf der Speziellen Relativitätstheorie beruht. „Reste solcher Lorentz-Symmetriebrüche könnten bei niedrigeren Energien, wie etwa bei den Energien des LHC, beobachtet werden, aber trotz früherer Bemühungen wurden sie weder am LHC noch an anderen Collidern gefunden“, schrieb die CMS-Kollaboration in einer Erklärung.
Das CMS-Team machte sich auf die Suche nach solchen Überbleibseln der Lorentz-Symmetriebrechung mit Hilfe von Paaren des schwersten Elementarteilchens der Natur, dem Top-Quark.
Quark rund um die Uhr!
Quarks sind die Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik, die sich miteinander verbinden und Teilchen wie Protonen und Neutronen ausmachen.
Es gibt sechs „Geschmacksrichtungen“ von Quarks mit zunehmender Masse: up, down (in Protonen und Neutronen), charm, strange, top und bottom. Das schwerste Quark ist das Top-Quark, das etwa die Masse eines Goldatoms hat (etwa 173 Giga-Elektronenvolt).
Ein Diagramm zeigt die Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. (Bildnachweis: Cush/Wikimedia Commons)
Die CMS-Forscher kamen zu dem Schluss, dass, wenn die Kollisionen zwischen Protonen, die im LHC auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, von der Ausrichtung abhängen, die Rate der Top-Quark-Paare, die bei solchen Ereignissen entstehen, mit der Zeit variieren sollte.
Das liegt daran, dass sich die Richtung der Protonenstrahlen, die für die Teilchenkollisionen in dem leistungsstarken Teilchenbeschleuniger erzeugt werden, ändert, wenn sich die Erde dreht. Daher sollte sich auch die Richtung der Top-Quarks, die bei solchen Kollisionen entstehen, ändern.
Das bedeutet, dass die Anzahl der erzeugten Quarks von der Tageszeit der Kollisionen abhängen sollte!
Ein Bild des CMS-Detektors am Large Hadron Collider des CERN (Bildnachweis: CERN)
Wenn es also eine Vorzugsrichtung in der Raumzeit und Anzeichen für die Verletzung der Lorentz-Symmetrie gibt, sollte es eine Abweichung von einer konstanten Rate der Top-Quark-Paarproduktion im LHC in Abhängigkeit von der Tageszeit geben, zu der das Experiment durchgeführt wird!
Die CMS-Kollaboration hat anhand der Daten von Lauf 2 des LHC, der zwischen 2015 und 2018 durchgeführt wurde, keine solche Abweichung festgestellt.
Das bedeutet, dass sie keine Anzeichen für einen Bruch der Lorentz-Symmetrie und damit keinen Beweis für Top-Quarks gefunden haben, die Einstein trotzen, egal wie die Protonenstrahlen ausgerichtet sind (oder zu welcher Tageszeit die Kollisionen stattfanden).
Die Einsteinsche Relativitätstheorie ist also rund um die Uhr sicher. Nun ja, zumindest im Moment.
Der dritte und leistungsstärkere Betriebslauf des verbesserten LHC begann 2022 und soll nächstes Jahr abgeschlossen werden. Das Team wird bei Proton-Proton-Kollisionen mit höherer Energie nach Anzeichen für eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie suchen.
„Die Ergebnisse ebnen den Weg für die künftige Suche nach Lorentz-Symmetriebrüchen auf der Grundlage von Top-Quark-Daten aus dem dritten Lauf des LHC“, schreibt die CMS-Kollaboration. „Sie öffnen auch die Tür für die Untersuchung von Prozessen, an denen andere schwere Teilchen beteiligt sind, die nur am LHC untersucht werden können, wie das Higgs-Boson und die W- und Z-Bosonen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams werden Ende 2024 in der Zeitschrift Physics Letters B veröffentlicht.
