Die wissenschaftliche Welt diskutiert das Experiment ungarischer Wissenschaftler, das es ermöglichte, über die Entdeckung eines neuen Elementarteilchens und eine neue Art der Wechselwirkung von Teilchen miteinander zu sprechen. Dies könnte die größte wissenschaftliche Entdeckung des 21. Jahrhunderts sein. Artem Korzhimanov, Mitarbeiter des Instituts für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften und Autor des populärwissenschaftlichen Blogs physh.ru, untersucht, wie plausibel diese Hypothese ist und ob die Ergebnisse des Experiments zuverlässig sind.
Aus physikalischer Sicht basieren alle uns bekannten Prozesse in der Welt auf vier Methoden der Wechselwirkung von Elementarteilchen: Schwerkraft, Elektromagnetismus (der sich unter anderem durch Reibung oder elastische Kräfte manifestiert), starke nukleare und schwache nukleare Wechselwirkungen. Die letzten drei haben viel gemeinsam und sind in einer einzigen theoretischen Konstruktion vereint, die als Standardmodell bezeichnet wird.
Foto: NASA / DOE / Fermi LAT-Zusammenarbeit
In den 1920er Jahren entdeckten Wissenschaftler jedoch, dass sich die Sterne unserer Galaxie - die Milchstraße - aufgrund der bekannten Gesetze und der scheinbaren Menge an Materie viel schneller um ihr Zentrum drehen als sie sollten. Dies gab Anlass zu der Annahme, dass es im Universum eine Substanz gibt, die aus einigen bisher unbekannten Teilchen besteht - sie wird normalerweise als dunkle Materie bezeichnet. Gleichzeitig ist es ganz natürlich anzunehmen, dass Teilchen der dunklen Materie mit einer Kraft miteinander interagieren können, die zwischen den für uns üblichen Teilchen nicht existiert. Wenn ja, dann ist diese Interaktion die fünfte fundamentale Kraft, die in unserer Welt existiert.
Dunkler Kandidat
Eine Gruppe von Experimentatoren von Atomki, dem Institut für Kernforschung der Ungarischen Akademie der Wissenschaften, versuchte, einen der Kandidaten für die Rolle einer Komponente der Dunklen Materie zu finden - das sogenannte dunkle Photon.
Werbevideo:
Die Mitarbeiter von Atomki verfügten über einen kleinen Teilchenbeschleuniger, der einen Protonenstrom auf eine Lithiumprobe schickte. Dies führte zur Bildung von Beryllium-8-Kernen. Diese Kerne sind radioaktiv und zerfallen in Sekundenbruchteilen. Normalerweise geht dies mit der Emission eines Photons einher, aber im Durchschnitt verwandelt sich dieses Photon, während es sich noch im Kern befindet, in zwei weitere Teilchen - ein Elektron und ein Positron. Das Verhalten dieser beiden Teilchen erlaubte den ungarischen Wissenschaftlern anzunehmen, dass sich ein Photon unter bestimmten Bedingungen für eine sehr kurze Zeit von einfach zu dunkel ändert.
Die Ergebnisse des Experiments wurden im Januar 2016 in der maßgeblichen Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht, lösten jedoch keine spürbare Reaktion aus. Dies änderte sich im April 2016, als ein Team theoretischer Physiker der University of California in Irvine (USA) einen Artikel mit einer detaillierteren Analyse der experimentellen Ergebnisse vorstellte.
Die Amerikaner sagten, dass die Annahme eines dunklen Photons den Ergebnissen anderer Experimente widerspricht und höchstwahrscheinlich falsch ist. Stattdessen boten sie ihre Theorie an. Es basiert auf der Annahme, dass im Zerfallsprozess ein bestimmtes Teilchen auftritt, das als X-Boson bezeichnet wird und das Träger dieser fünften Art der Wechselwirkung ist. Diese Erklärung hat den Peer-Review-Prozess erfolgreich bestanden und wurde im August in denselben Physical Review Letters veröffentlicht. Laut Wissenschaftlern der University of California erklärt ihre Theorie einige der zuvor entdeckten anomalen Effekte.
Lohnt es sich zu glauben?
Die Arbeiten ungarischer und amerikanischer Wissenschaftler sind nicht die ersten, die eine Hypothese über die Existenz einer fünften grundlegenden Wechselwirkung aufstellen. In den allermeisten Fällen verschwindet der Effekt jedoch, wenn der Versuchsaufbau verbessert wird, dh wenn er mit unvollständigen Versuchsbedingungen verbunden ist. Dies hindert Theoretiker nicht daran, immer mehr neue Theorien für nicht sehr verlässliche Ergebnisse zu entwickeln. Und sie können verstanden werden. Manchmal entsteht aus einer seltsamen Anomalie eine völlig neue Richtung der Wissenschaft - und diejenigen, die zuerst eine Erklärung gefunden haben, werden ihre Führer.
Neue Beispiele für hochkarätige "Entdeckungen", die später widerlegt wurden, sind Neutrinos, die sich angeblich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit (letztendlich verursacht durch eine schlechte Kabelverbindung), und ein Hinweis auf die Existenz eines ungewöhnlich schweren Partikels, wie vom Europäischen Zentrum für Kernforschung CERN und berichtet was sich als unbegründet herausstellte, als mehr Daten gesammelt wurden. In beiden Fällen gelang es den Theoretikern, Dutzende von Hypothesen aufzustellen und Hunderte von Artikeln zu veröffentlichen.
Aus diesem Grund stehen die meisten Wissenschaftler den oben genannten Arbeiten und Schlussfolgerungen skeptisch gegenüber. Die Skepsis ist noch größer bei denen, die mit den früheren Arbeiten derselben Gruppe von Experimentatoren vertraut sind. Sie berichteten über Experimente mit Beryllium-8 in den Jahren 2008 und 2012 und "sahen" beide Male einige bisher unbekannte Partikel mit unterschiedlichen Massen. Die Autoren behaupten als Antwort, dass sie immer dasselbe Partikel gesehen haben - es war nur so, dass die Instrumente, die ihnen zuvor zur Verfügung standen, es nicht erlaubten, die Masse korrekt zu messen.
Vielen Wissenschaftlern erscheint es auch verdächtig, dass die Atomki-Gruppe praktisch keine Artikel veröffentlicht, die keine Entdeckungen enthalten. Es ist möglich, dass die Mitglieder der Gruppe das Ergebnis unbewusst dort sehen, wo es tatsächlich nicht existiert. Um diesen Effekt in der Medizin zu bekämpfen, wird beim Testen der Wirksamkeit von Arzneimitteln eine Doppelblindstudie durchgeführt, bei der weder der Patient noch der Arzt wissen, ob es sich um ein Arzneimittel oder einen Placebo-Schnuller handelt. In einem gut durchdachten Physikexperiment muss die Person, die Messungen vornimmt oder Daten verarbeitet, auch nicht genau wissen, mit was sie arbeitet. In der Atomki-Gruppe ist diese Bedingung höchstwahrscheinlich nicht erfüllt.
Trotz der Skepsis kann die Möglichkeit einer solchen grundlegenden Entdeckung die Köpfe der Wissenschaftler nur erregen, und mehrere wissenschaftliche Gruppen versprachen sofort, die Ergebnisse des ungarischen Teams in den kommenden Monaten zu überprüfen. Wenn sie bestätigt werden, könnte die Arbeit ungarischer Spezialisten zur größten wissenschaftlichen Entdeckung des 21. Jahrhunderts werden. Es ist jedoch noch wahrscheinlicher, dass es sich um einen weiteren Vorfall handelt, der als Ergebnis eines Experiments mit unzureichend hoher Qualität aufgetreten ist.
