Schwerpunkt

Mit Präzision zu neuen Phänomenen

Liefert die elektroschwache Wechselwirkung bei höchsten Energien Überraschungen?

  • Ulla Blumenschein, Ulrich Uwer und Roger Wolf
  • 04 / 2012 Seite: 51

Neben der direkten Suche nach neuen physikalischen Phänomenen bei höchsten Energien erlaubt der Large Hadron Collider auch Präzisionsmessungen, mit denen sich die Vorhersagen des Standardmodells der Elementarteilchen genau überprüfen lassen. Mögliche Inkonsistenzen und Abweichungen der Messungen von den Vorhersagen können indirekte Hinweise auf bisher unentdeckte Effekte geben.

Eine Vielzahl von Messungen hat das Standard­modell der Teilchenphysik in den letzten Jahrzehnten mit beindruckender Präzision bestätigt. Dennoch wissen wir, dass diese Theorie unvollständig sein muss: Sie liefert weder Kandidaten für die im Universum nachgewiesene Dunkle Materie noch kann sie die Materie-Antimaterie-Asymmetrie unserer Welt erklären. Konzeptionelle Fragen, wie etwa die tiefere Ursache der beobachteten drei Generationen von Quarks und Leptonen, bleiben offen. Daher gilt das Standardmodell heute als eine Näherung einer umfassenderen Theorie, die mit neuen, an höheren Energieskalen beobachtbaren Phänomenen einhergehen sollte.

Zum Aufspüren dieser neuen Phänomene sind weitere Präzisionsmessungen essenziell. Sie dienen zum einen dazu, die noch ungenau bekannten Parameter des Standardmodells besser zu bestimmen, um präzisere Vorhersagen machen zu können. Zum anderen ermöglichen sie den Nachweis von theoretisch vorhergesagten Quantenfluktuationen. Diese Fluktuationen, zu denen im Rahmen der Unschärferelation kurzzeitig auch sehr schwere Teilchen beitragen, können Größen wie Teilchenmassen und Kopplungskonstanten, aber auch die Zerfallseigenschaften von Teilchen beeinflussen. Grundsätzlich gilt, dass Quantenkorrekturen höherer Ordnung, bei denen also eine größere Zahl an Teilchenkopplungen auftritt, gegenüber einfacheren Prozessen unterdrückt sind.

Die Messung der teilweise sehr kleinen Quanten­effekte erlaubt Rückschlüsse auf die Eigenschaften der in den Fluktuationen virtuell auftretenden Teilchen. So ließ sich die Masse des Top-Quarks aus präzisen Daten zum Z-Boson vorhersagen, noch bevor es gelang, das Top-Quark direkt nachzuweisen. Präzisionsmessungen unterstützen auch die Suche nach dem Higgs-Boson, da Quantenkorrekturen mit einem virtuellen Higgs-Boson die Massen schwerer Teilchen wie Top-Quark und W-Boson beeinflussen (Abb. 1). Daher schränken die experimentell bestimmten W- und Top-Massen die mögliche Higgs-Masse weiter ein. So deuten die am LEP2- bzw. Tevatron-Beschleuniger erzielten Ergebnisse auf eine kleine Higgs-Masse nahe der bisherigen Ausschlussgrenze von 114 GeV/c2 hin (Abb. 2) [1]. Für eine präzisere Aussage wäre es nötig, die W-Masse genauer zu kennen. Wird das Higgs-­Boson direkt nachgewiesen, erlaubt der Vergleich von direkt und indirekt ermittelter Higgs-Masse einen wichtigen Konsistenztest des Standardmodells. ...

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