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Eine Illustration der Teilchenvernichtung, bei der Antimaterie in Form von Anti-Helium entsteht.(Bildnachweis: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko)

Alles im Universum ist buchstäblich aus Teilchen aufgebaut, von den fundamentalen Teilchen, die die Atome bilden, aus denen alles um uns herum besteht, bis hin zu den exotischen Teilchen, die zu schwer fassbaren Phänomenen wie Antimaterie und dunkler Materie führen. Erstere helfen uns, unsere Welt zu beobachten und zu manipulieren, während letztere uns helfen, sie zu verstehen, indem sie auf tiefe Geheimnisse rund um die Entstehung, Entwicklung und Struktur des Universums hinweisen.

Wenn es um Teilchenphysik geht, findet ein Großteil des Geschehens in riesigen Beschleunigern statt, in denen Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit zusammengeschossen werden. Diese Beschleuniger sind manchmal von Menschenhand gebaut und befinden sich daher auf der Erde – manchmal sind sie kosmischer Art und befinden sich im Weltraum.

In den letzten 12 Monaten gab es eine Menge aufregender Teilchen-Action auf der Erde und im Weltraum – und wir beginnen unsere Zusammenstellung der Teilchenphysik-Geschichten des Jahres 2024 mit Nachrichten, die eher nach Science-Fiction klingen.

Das Jahr, in dem wir lernten, Antimaterie zu bewegen

Kein Material ist flüchtiger als Antimaterie, die aus Teilchen mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter Ladung zur normalen Materie besteht, also Dinge wie Antiprotonen und Positronen, die die Antimaterieversion der Elektronen sind. Wenn man ein Antimaterie-Teilchen mit einem Teilchen normaler Materie zusammenbringt, vernichten sie sich sofort in einem Energiestoß.

In der Science-Fiction wird Antimaterie in der Regel als unübertroffene Energiequelle beschrieben, die Raumschiffe antreibt und als Bombe explodiert. In der Wissenschaft hat es sich als Herausforderung erwiesen, Antimaterie zu bewegen, ohne dass sie mit normaler Materie in Berührung kommt und sich vernichtet, aber die Wissenschaftler am CERN glauben, dass sie nun endlich einen Weg gefunden haben, dies zu tun, und sie testen ihn.

In einem am 26. November 2024 in Nature veröffentlichten Bericht wird beschrieben, wie zwei Forscherteams darum konkurrieren, als erste Antimaterie zu transportieren. Sie hoffen, zunächst Antiprotonen durch das CERN zu transportieren, um ihr Konzept zu beweisen, bevor sie die Teilchen schließlich Hunderte von Kilometern entfernt in ein spezielles Labor an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf bringen, wo ihre rätselhaften Eigenschaften genauer untersucht werden können. Um die Antimaterie zu bewegen, bauten die Teams Behälter, die elektromagnetische Felder von supraleitenden Magneten erzeugen, um die Antimaterie an Ort und Stelle und im Vakuum zu halten, ohne dass sie irgendetwas berührt.

Antimaterie ist sowohl knapp als auch teuer in der Herstellung, und man kann sie nicht einfach auf Vorrat produzieren. Zwar gibt es Antimaterie im Weltraum – wie wir sehen werden, besucht sie uns in der kosmischen Strahlung -, aber auf der Erde konnten Wissenschaftler bisher nur etwa 20 Milliardstel Gramm Antimaterie herstellen. Es würde Billionen kosten, nur ein Gramm herzustellen. Die wenigen Antimaterieteilchen, die wir im Large Hadron Collider (LHC) des CERN herstellen können, sind also die nächstbeste Lösung.

Alles in allem sind wir vielleicht noch nicht so weit, ein mit Antimaterie betriebenes Raumschiff zu bauen, aber der Transport von Antimaterie wird es den Physikern ermöglichen, die Geheimnisse der Antimaterie zu ergründen, einschließlich der Frage, warum es im Universum so wenig davon gibt.

Das Jahr, in dem wir den Rekord für das schwerste Antimaterieteilchen gebrochen haben – zweimal!

Die meisten Antimaterie-Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, sind recht einfach: Antiprotonen, Positronen, Anti-Tritium und Anti-Helium – so etwas in der Art. In Experimenten am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in New York und am Large Hadron Collider ist es Wissenschaftlern dieses Jahr jedoch gelungen, „Hyper“-Teilchen aus Antimaterie zu erzeugen.

Das „Hyper“ ist die Abkürzung für Hyperon. Nehmen wir ein Teilchen wie das Proton, das aus drei noch kleineren Teilchen, den Quarks, besteht. Ein Proton hat zwei „up“-Quarks und ein „down“-Quark (diese Namen dienen nur zur Unterscheidung zwischen den verschiedenen Quarktypen; es gibt kein wirkliches „up“ oder „down“ an ihnen). Umgekehrt besteht ein Neutron aus einem up-Quark und zwei down-Quarks. Im Vergleich dazu gibt es bei Hyperonen neben dem up- und dem down-Quark eine Art von Quark, das so genannte strange-Quark. Wenn Hyperonen in reguläre Atomkerne eingebaut werden, werden diese Kerne schwerer als ihre regulären Gegenstücke. Darüber hinaus gibt es auch Antimaterie-Versionen.

Anfang des Jahres gelang es Forschern, Anti-Hyperwasserstoff-4, das ein Anti-Proton, zwei Anti-Neutronen und ein Anti-Hyperon enthält, am RHIC zu erzeugen. Einige Monate später wurde dann ein noch schwereres Antiteilchen – Anti-Hyperhelium-4, das aus zwei Anti-Protonen, einem Anti-Neutron und einem Anti-Hyperon besteht – mit dem ALICE-Instrument (A Large Ion Collider Experiment) am LHC nachgewiesen. Anti-Hyperwasserstoff-4 und Anti-Hyperhelium-4 sind die massivsten Antiteilchen, die jemals in einem Labor erzeugt wurden.

Physiker fanden heraus, dass die schweren Teilchenkollisionen am RHIC und am LHC, bei denen diese Anti-Hyperteilchen entstanden, gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugten. Das mag wenig überraschend klingen – bis wir uns im Universum umsehen und einen Kosmos voller normaler Materie und kaum Antimaterie sehen. Warum das Universum beim Urknall mehr Materie als Antimaterie erzeugte, ist ein Rätsel – wenn die beiden perfekt symmetrisch sind, sollte es dann nicht gleich viel von beiden geben? Nichtsdestotrotz scheint diese Asymmetrie eine gute Sache zu sein. Wie Sie sich erinnern, hätten sich gleiche Mengen an normaler Materie und Antimaterie gegenseitig vollständig vernichtet, so dass das Universum mit nichts als den Photonen der durch die Vernichtung freigesetzten Energie gefüllt gewesen wäre.

Das würde bedeuten, dass es keine Sterne, keine Planeten und kein Leben gäbe.

Durch die Erzeugung gleicher Mengen an Materie und Antimaterie haben die Experimente am RHIC und am LHC das Rätsel der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum und die Frage, warum der Urknall die Materie der Antimaterie vorgezogen hat, nur noch vertieft. Dennoch kommen wir der Wahrheit langsam näher.

Eine Illustration der Teilchenvernichtung, bei der Antimaterie in Form von Anti-Helium entsteht Bildnachweis: CERN. (Bildnachweis: Janik Ditzel für die ALICE-Kollaboration)

Das Jahr, in dem wir Antimaterie mit dunkler Materie in Verbindung brachten?

Wie wir bereits erwähnt haben, wird Antimaterie nicht nur in Teilchenbeschleunigern auf der Erde erzeugt, sondern stammt auch aus energetischen Prozessen im Weltraum, die geladene Materie- und Antimaterieteilchen in Form von kosmischer Strahlung auf uns schleudern. Dabei handelt es sich um Teilchen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und von denen man annimmt, dass sie von einigen der gewaltigsten und magnetischsten Objekte im Universum erzeugt werden: Supernova-Überreste, aktive schwarze Löcher usw.

Aufgrund der beobachteten Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie bestehen die meisten dieser kosmischen Strahlen aus Materie, aber einige sind aus Antimaterie gebildet. Das Problem ist, dass wir mehr kosmische Antimaterie-Strahlung entdeckt haben, als wir leicht erklären können.

An Bord der Internationalen Raumstation befindet sich ein Experiment namens Alpha Magnetic Spectrometer oder AMS-02, das kosmische Strahlung aufspürt. AMS-02 hat überraschende Mengen an Antimaterie in dieser kosmischen Strahlung entdeckt, wobei das AMS-02 erhebliche Mengen an Anti-Wasserstoff-2, Anti-Helium-3 und Anti-Helium-4 nachgewiesen hat.

Ein neuer Erklärungsvorschlag aus dem Jahr 2024 besagt, dass diese Antiteilchen von dunkler Materie erzeugt werden.

Niemand weiß, woraus die dunkle Materie besteht. Wir wissen nur, dass es sich um ein unsichtbares Material handelt, das 85 % der gesamten Materie im Universum ausmacht. Der einzige Weg, wie wir wissen, dass sie da ist, ist durch ihre Schwerkraft.

Einige Modelle der dunklen Materie sagen voraus, dass sie aus einer Art von Teilchen bestehen könnte, die WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) genannt wird. Gelegentlich könnte ein WIMP mit einem anderen WIMP interagieren, insbesondere in der Nähe des Herzens der Milchstraße oder des galaktischen Zentrums, wo die Dichte der dunklen Materie am größten ist. Wenn diese Wechselwirkung stattfindet, könnten sich die WIMPs gegenseitig vernichten und dabei einen Schauer anderer Teilchen erzeugen – einschließlich Antimaterie.

Die von AMS-02 nachgewiesene Menge an Anti-Wasserstoff-2 entspricht dem, was Modelle als Ergebnis der WIMP-Annihilation vorhersagen. Die beobachteten Mengen von Anti-Helium-3 und -4 in der kosmischen Strahlung sind jedoch so groß, dass sie viel schwieriger zu erklären sind. Das könnte bedeuten, dass unsere Modelle, die beschreiben, wie WIMPs miteinander wechselwirken, falsch oder unvollständig sind, oder dass es WIMPs gar nicht gibt – aber woher kommt dann die Antimaterie? Ende 2024 ist dieses Rätsel immer noch nicht gelöst.

Das Jahr, in dem krachende Galaxienhaufen die Bewegung der dunklen Materie enthüllten

Einer der besten Orte, um mögliche Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie zu messen, sind Galaxienhaufen. Ein Galaxienhaufen enthält riesige Mengen an dunkler Materie, heißem Gas und verschiedenen Galaxien, die alle in einem durch die Schwerkraft gebundenen Volumen von Millionen von Lichtjahren Durchmesser eingeschlossen sind. Wenn zwei Galaxienhaufen kollidieren, ist der Zusammenprall entsprechend gewaltig, und die Forschungsergebnisse von Anfang dieses Jahres geben uns den bisher detailliertesten Einblick in eine solche Kollision.

Während der Kollision segelten die Galaxien größtenteils durch, da die Entfernungen zwischen ihnen im Allgemeinen zu groß waren, als dass es zu Zusammenstößen gekommen wäre. Die riesigen Gaswolken, die jeden Galaxienhaufen füllen, schaffen es jedoch, aufeinander zu prallen, wobei sie Röntgenstrahlen aussenden, weil sie so heiß sind. Da sich die Gaswolken gegenseitig behindern, kommen sie bei der Kollision auch nicht sehr weit.

Mit anderen Worten, wir wissen, woher das heiße Gas kommt, indem wir die Röntgenstrahlen aufspüren, und wir können sehen, wo die Galaxien sind, indem wir einfach hinschauen. Was die dunkle Materie angeht, so können wir darauf schließen, wo sie sich befindet, indem wir uns ansehen, wie ihre Schwerkraft den Raum verformt und dadurch Gravitationslinsen erzeugt.

Wenn die dunkle Materie überhaupt nicht wechselwirkt, sollte sie neben den Galaxien existieren, die bei der Kollision sauber durchgesegelt sind; wenn sie in erheblichem Maße wechselwirkt, würden wir erwarten, sie näher am heißen Gas zu sehen. Und wenn sie nur ein wenig wechselwirkt, würde sie sich etwa in der Mitte zwischen den Galaxien und dem Gas befinden.

Das Problem ist, dass wir nur Schnappschüsse dieser Kollisionen zwischen Galaxienhaufen sehen. Die Kollisionen finden über Hunderte von Millionen Jahren statt – wir können also nicht sehen, wie sich die Galaxienhaufen bewegen, und wir sehen jede Kollision nur aus einem Winkel, der vielleicht nicht der beste ist. Zu erkennen, wo die drei Komponenten bei einer Kollision zueinander stehen, ist daher schwieriger, als es scheint.

Astronomen haben schon viele Zusammenstöße von Galaxienhaufen beobachtet, der berühmteste ist der Bullet Cluster. Wir haben den Bullet Cluster von der Seite aus gesehen, was es schwierig macht, die Bewegungen der Komponenten zu messen, da wir ihre Dopplerverschiebung messen müssen, was eine frontale Ausrichtung erfordert.

Im Jahr 2024 gelang dies den Astronomen bei der Kollision des Galaxienhaufens MACS J0018.5+1626, der 5 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Die Astronomen entdeckten, dass sich die dunkle Materie tatsächlich von dem heißen kollidierenden Gas gelöst hatte und sich mit einer Geschwindigkeit von 10,8 Millionen Kilometern pro Stunde bewegte, was etwa 1 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zwischen den Teilchen der dunklen Materie in dem Haufen und anderen Teilchen nicht viel Wechselwirkung stattfindet, obwohl die Messungen nicht genau genug sind, um zu sagen, ob es eine geringe Wechselwirkung gibt oder nicht.

Diese Mehrdeutigkeit lässt noch immer viele Möglichkeiten für die Identität der dunklen Materie offen.

Das Jahr, in dem wir begannen, auf eine Supernova zu warten, um die Wahrheit über dunkle Materie zu enthüllen

WIMPs waren jahrelang der führende Kandidat für dunkle Materie, aber sie fallen allmählich ein wenig in Ungnade, da sie in Experimenten nicht nachgewiesen werden konnten. Ein neuer Konkurrent ist aufgetaucht, um die WIMPs herauszufordern, und zwar in Form eines hypothetischen Teilchens namens Axion.

Es gibt gute Gründe für die Annahme, dass Axionen real sein könnten. Sie werden von der Theorie der Quantenchromodynamik vorhergesagt, in der es darum geht, wie die starke Kraft Quarks zu Protonen und Neutronen (und Hyperonen) zusammenbindet. Zufälligerweise sind Axionen auch ein guter Kandidat für dunkle Materie. Doch leider hat noch niemand ein Axion nachgewiesen.

Im Jahr 2024 haben Wissenschaftler einen Weg aufgezeigt, wie wir diese Entdeckung möglich machen könnten, aber dazu braucht es ein gewisses Maß an Glück und ein perfektes Timing.

Nach den neuen Forschungsergebnissen könnte der Kollaps des Kerns eines massereichen Sterns, wenn dieser das Ende seines Lebens erreicht und sich während einer Supernova-Explosion in einen Neutronenstern verwandelt, in den ersten 10 Sekunden dieser Explosion jede Menge Axionen erzeugen. Im Gegensatz zu WIMPS sind Axionen nicht wählerisch, was ihre Wechselwirkung angeht, und ein starkes elektromagnetisches Feld, wie das intensive Magnetfeld eines massereichen sterbenden Sterns, könnte die Axionen in Gammastrahlenphotonen umwandeln, die wir dann nachweisen könnten.

Das ist im Prinzip gut, aber in der Realität eine Herausforderung, sagen die Forscher. Zum einen wären die Gammastrahlen relativ schwach, so dass wir eine Supernova in unserer Nähe, entweder in unserer Milchstraße oder in einer unserer Satellitengalaxien wie der Großen Magellanschen Wolke, benötigen würden, um sie zu entdecken. Man geht davon aus, dass in der Milchstraße im Durchschnitt alle 50 Jahre eine Supernova explodiert, aber die letzte, die am Himmel beobachtet wurde, war 1604 (obwohl 1987 eine in der Großen Magellanschen Wolke gesehen wurde). Alle anderen galaktischen Supernovae seither explodierten entweder auf der Seite unserer Galaxie, die wir nicht sehen können, oder in der Nähe des zentralen supermassiven schwarzen Lochs unserer Galaxie, wo Staub und Gas die Explosion einhüllen.

Der andere Trick ist, dass wir in den ersten 10 Sekunden der Explosion genau darauf schauen müssten, um die Gammastrahlen einzufangen – und da wir nicht wissen, wo sie explodieren und wohin wir unsere Teleskope richten sollen, bleibt viel dem Zufall überlassen. Das Sichtfeld des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA bietet eine Chance von eins zu zehn, zur richtigen Zeit in die richtige Richtung zu schauen. Um sicherzugehen, dass wir nichts verpassen, schlagen die Forscher eine neue Konstellation von Gammastrahlen-Satelliten vor, die sie Galactic Axion Instrument for Supernova (GALAXIS) nennen und die den gesamten Himmel rund um die Uhr abdecken und beobachten würden.

Wenn GALAXIS ein Gammastrahlensignal entdeckt, würde das bedeuten, dass die dunkle Materie wahrscheinlich aus Axionen besteht, und das würde unsere nächste Geschichte über dunkle Materie aus dem Jahr 2024 ausschließen.

Das Jahr, in dem wir von einem „dunklen Urknall“ erfahren?

Wenn wir verstehen, wie dunkle Materie ursprünglich entstanden ist, könnten wir mehr darüber erfahren, was sie ist. Eine neue Theorie von Katherine Freese und Martin Winkler von der University of Texas in Austin beschreibt einen „dunklen Urknall“, bei dem die Teilchen der dunklen Materie nach dem eigentlichen Urknall entstanden, der unser expandierendes Universum hervorbrachte. Freese und Winkler stellten fest, dass wir zwar auf die Entstehung normaler Materie beim Urknall schließen können, der Nachweis für dunkle Materie aber nur über ihre Gravitationswirkung erbracht werden kann. Was also, wenn sie später entstanden ist? An dieser Stelle kommt der Dunkle Urknall ins Spiel.

Es ist ein etwas überdramatischer Name, aber er beschreibt, wie ein kosmisches Energiefeld Quanteneffekten ausgesetzt war, die zu Übergängen innerhalb dieses Feldes führten, und die Energiedifferenz zwischen den Übergängen wurde in Teilchen der dunklen Materie umgewandelt. Das Entscheidende am Dunklen Urknall ist, dass er Dunkle-Materie-Teilchen vorhersagt, die überhaupt nicht wechselwirken (außer über die Gravitation), was Axionen und WIMPs ausschließen würde.

Darauf aufbauend haben zwei Forscher der Colgate University in New York gezeigt, dass Teilchen aus dunkler Materie, die aus einem Dunklen Urknall hervorgegangen sind, Gravitationswellen erzeugen würden, die noch heute im Universum nachhallen würden. Diese Gravitationswellen könnten durch Pulsar-Zeitmessungs-Arrays nachgewiesen werden. Dabei handelt es sich um das Konzept, dass Gravitationswellen, die sich zwischen uns und einem Pulsar bewegen, das Timing der Radioimpulse eines Pulsars stören könnten. Das erste Pulsar-Timing-Array mit dem Namen NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) hat vor kurzem mögliche Beweise für einen kosmischen Hintergrund von Gravitationswellen gefunden, und die Forscher Richard Casey und Cosmin Ilie vermuten, dass diese Gravitationswellen durch den dunklen Urknall erzeugt worden sein könnten, aber es ist noch ein langer Weg bis zur Bestätigung der Ergebnisse von NANOGrav.

Das Jahr, in dem wir über die kurze Lebensdauer von Neutronen lernten

Das riesige Compact Muon Solenoid Experiment am LHC. Die verschiedenen Ringe von Detektoren, die ein bisschen wie eine Zwiebel angeordnet sind, messen verschiedene Teilchen und haben die Masse des W-Bosons gemessen. (Bildnachweis: CERN/Maximilien Brice)

Neutronen und Protonen sind die Bausteine der Atome, aus denen alles um uns herum besteht. Protonen können ewig leben, soweit wir das beurteilen können (und wenn sie zerfallen, dann in einer kolossalen Billion Billion Billionen Jahren oder so ähnlich).

Andererseits sind Neutronen zwar vollkommen stabil, wenn sie zusammen mit Protonen in Atomkerne eingeschlossen sind, aber außerhalb von Atomkernen sind sie nicht sehr stabil. Sie halten etwa 15 Minuten durch, bevor sie zerfallen.

Das „ungefähr“ ist das Problem. Physiker verwenden zwei verschiedene Techniken, um die Lebensdauer eines Neutrons zu messen, und obwohl beide Techniken eine Messung von etwa 15 Minuten ergeben, gibt es einen konstanten Unterschied von 8 Sekunden zwischen den beiden Methoden.

Dieser Unterschied hat Physiker verwirrt, weil sie keinen offensichtlichen Grund dafür sehen konnten, aber 2024 entwickelten österreichische Wissenschaftler eine Erklärung. Sie vermuteten, dass sich freie Neutronen nicht alle auf demselben Energieniveau befinden, wenn sie erzeugt werden, und dass angeregte Neutronen eine etwas andere Zeitspanne für ihren Zerfall benötigen als Neutronen auf ihrem niedrigstmöglichen Energieniveau. Die verschiedenen Techniken zur Messung der Lebensdauer von Neutronen würden dann unterschiedliche Antworten liefern, da eine Technik Neutronen in einem angeregten Zustand gegenüber Neutronen auf ihrem niedrigsten Energieniveau bevorzugt.

Das Jahr, in dem wir den radioaktiven Zerfall in Aktion beobachteten

Wenn radioaktive Atome – auch bekannt als Radioisotope – zerfallen, setzen sie Teilchen frei, die ihre Masse verringern und sie stabil machen. Sie können zum Beispiel Alphateilchen ausstoßen, bei denen es sich um Heliumkerne handelt, oder sie können Elektronen in einem Prozess ausspucken, der Betazerfall genannt wird.

Wissenschaftler kennen den Alpha- und Betazerfall schon seit über einem Jahrhundert, aber wir haben den Moment des Zerfalls noch nie gesehen – bis zum Jahr 2024. Ein Team von Physikern in den Vereinigten Staaten hat ein geniales Experiment entwickelt, mit dem sie den Rückstoß eines entweichenden Alphateilchens beobachten konnten. Wie haben sie das gemacht? Zunächst befestigten sie Blei-212-Kerne an einem Stück Siliziumdioxid, das nur ein Mikrometer (ein Millionstel Meter) groß war. Dann brachten sie das Siliziumdioxid mit einer optischen Pinzette zum Schweben. Blei-212 hat eine Halbwertszeit von etwas mehr als zehneinhalb Stunden, was bedeutet, dass die Hälfte einer bestimmten Menge Blei-212 in dieser Zeit durchschnittlich zerfallen ist. Wenn also vier Blei-212-Kerne auf dem Siliziumdioxid platziert werden, ist zu erwarten, dass zwei der Kerne alle zehneinhalb Stunden in stabileres Blei-208 zerfallen.

Als das Blei-212 zerfiel, verursachte das entweichende Alphateilchen einen Rückstoß des Isotops und damit des Siliziums, an das der Bleikern gebunden war. Dieser Rückstoß wurde durch Beobachtung der Lichtstreuung auf dem Siliziumdioxid festgestellt, wodurch die Physiker den genauen Zeitpunkt des Zerfalls eines Kerns ermitteln konnten. In gewisser Weise handelt es sich bei dieser Technik um eine ganz neue Art von Teilchendetektor, der eines Tages auch zur Messung von schwer fassbaren Zerfallsprodukten wie Neutrinos oder sogar dunkler Materie eingesetzt werden könnte.

Das Jahr, in dem wir zur Enttäuschung aller das Geheimnis des W-Bosons lösten

Dies war ein Ergebnis, das die Wissenschaftler wirklich nicht wollten.

W-Bosonen sind Träger der schwachen Kraft, die den radioaktiven Zerfall von Alphateilchen steuert. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt voraus, dass W-Bosonen eine Masse von 80.357 ± 6 MeV haben sollten, aber zuvor hatten Forscher am Tevatron-Teilchenbeschleuniger des Fermilab in Illinois eine Masse von 80.433 ± 9 MeV gemessen – außerhalb des Bereichs des Standardmodells.

War dies ein Zeichen für neue Physik jenseits des Standardmodells?

Ein massereicheres W-Boson würde gut zu einer Theorie namens Supersymmetrie passen, die besagt, dass jedes Teilchen ein viel massereicheres „Superteilchen“ hat. Wenn die dunkle Materie aus WIMPs besteht, würde das gut zur Supersymmetrie passen.

Allerdings war es nicht so weit. Im Jahr 2024 bestätigte das Compact Muon Solenoid-Instrument des LHC die Masse des W-Bosons mit 80.360,2 ± 9,9 MeV, was deutlich innerhalb des vom Standardmodell vorhergesagten Bereichs liegt. Diese Masse entspricht einem Gewicht von 1,25 x 10^-25 Kilogramm. Wie winzig!

Die Teilchenphysiker gingen also enttäuscht davon, dass ihre Träume vom Ausbruch aus dem Standardmodell zumindest vorläufig gescheitert sind. Es gibt jedoch nicht nur schlechte Nachrichten: Die Wissenschaftler können die präzisere Masse des W-Bosons als Test für die Stärke des Higgs-Feldes nutzen.

Das Jahr, in dem wir uns von Peter Higgs verabschiedeten

Peter Higgs, der im April 2024 im Alter von 94 Jahren stirbt, steht vor einem Foto des Large Hadron Collider in der Ausstellung „Collider“ des Science Museum am 12. November 2013 in London. (Bildnachweis: Peter Macdiarmid/Getty Images)

Am 8. April 2024 starb der britische Physiker Peter Higgs im Alter von 94 Jahren. Higgs war berühmt für seine Arbeit, in der er die Existenz des Higgs-Bosons, des Trägers des Higgs-Feldes, vorhersagte, das 2012 im Large Hadron Collider entdeckt wurde. Das Higgs-Feld ist das, was allen Teilchen ihre Masse verleiht, wenn sie sich durch das Feld bewegen – einige Teilchen können es überspringen und sind daher leicht, wie Neutrinos oder Elektronen, während es für andere Teilchen so ist, als würden sie durch Sirup waten, und sie haben daher mehr Masse. Nach der Entdeckung wurde Higgs 2013 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.