Mögliches Zeichen neuer Physik? Symmetrie der Quarks durchbrochen

Am CERN ist etwas passiert, das tief in unser Verständnis der Materie eingreift: Eine Messung legt nahe, dass eines der stabilsten Prinzipien der modernen Physik - die Flavoursymmetrie zwischen up- und down-Quarks - in bestimmten Kollisionen verletzt wird.

Quarks scheinen fundamentale Symmetrie zu brechen

Wenn man einen Turm aus gleich vielen Holz- und Plastikbausteinen zerlegt, erwartet man, dass am Ende wieder die gleichen Anteile übrig bleiben. Physiker gingen bisher von einem ähnlichen Prinzip in der Quarkwelt aus: In Teilchenkollisionen sollte die Zahl der erzeugten Teilchen annähernd unabhängig davon sein, ob sie aus up- oder down-Quarks stammen. Diese sogenannte Flavoursymmetrie galt als stabile Annahme - bis jetzt.

Im Rahmen des NA61/SHINE-Experiments am Super Proton Synchrotron (SPS) des CERN haben Forschende Kollisionen von Argon- mit Scandiumkernen untersucht. Dabei fiel auf, dass bestimmte Teilchen, sogenannte Kaonen, häufiger entstanden als erwartet - und zwar deutlich häufiger. Die Abweichung von den theoretischen Vorhersagen lag bei bis zu 18 Prozent. Erwartet worden waren maximal 3 Prozent.

Ein Zusammenhang mit der lange gesuchten "neuen Physik" kann nicht ausgeschlossen werden.

Kaonen sind Mesonen, also Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark. Es gibt sie in positiv, negativ und neutral geladener Form. Ursprünglich hatte das NA61/SHINE-Team nur Messungen an den geladenen Varianten geplant. Ausgehend von der Flavoursymmetrie galt es als ausreichend, ihre Zahl mit der der neutralen Kaonen gleichzusetzen. Doch die Forscher entschieden sich für eine Vollmessung - und fanden einen Bruch der Symmetrie. Das Ergebnis war überraschend: "Wir sind mit mehr down-Quarks in die Kollision gestartet {...) doch am Ende gab es mehr Teilchen mit up-Quarks", sagt Prof. Katarzyna Grebieszkow von der Technischen Universität Warschau laut Phys.


Rein rechnerisch hätte es umgekehrt sein müssen. Denn Argon- und Scandiumkerne enthalten mehr Neutronen als Protonen - und damit mehr down- als up-Quarks. Dass das Ergebnis dennoch zugunsten der up-Quarks ausfiel, deutet auf eine Verletzung der Flavoursymmetrie hin - entweder durch bislang unberücksichtigte physikalische Prozesse oder durch eine bislang unbekannte Dynamik.

Die beobachtete Anomalie könnte auf bislang unbeachtete Aspekte der Quantenchromodynamik zurückgehen - ebenso aber auf Phänomene, die über das etablierte Standardmodell hinausweisen. Das Team der Polnischen Akademie der Wissenschaften schließt diese Möglichkeit nicht aus, weist jedoch ausdrücklich darauf hin, dass solche Deutungen mit Vorsicht zu behandeln sind - denn die Konsequenzen für das physikalische Verständnis wären tiefgreifend.

Die Erkenntnisse sind in Nature veröffentlicht worden und könnten gravierende Auswirkungen auf zahlreiche Teilchenexperimente der letzten Jahrzehnte haben. Denn viele physikalische Modelle basieren auf der Gültigkeit dieser Symmetrie. Künftig müssen sie möglicherweise überarbeitet oder neu bewertet werden.


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