Teilchenbeschleuniger: Mögliches neues Boson weist auf fünfte Fundamentalkraft hin

Van-de-Graff-Beschleuniger (Westinghouse Atom Smasher) (Bild: Wikimedia)

Experimente an einem ungarischen Teilchenbeschleuniger liefern deutliche Hinweise auf ein neues Teilchen, das nicht vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wird. Seine Existenz könnte auf eine fünfte Fundamentalkraft hinweisen. Weitere Untersuchungen folgen noch.

Gibt es eine fünfte Fundamentalkraft? Das Standardmodell der Physik kommt derzeit mit vier Kräften aus. Möglicherweise existiert aber neben Gravitation, Elektromagnetismus sowie der starken und der schwachen Kernkraft noch eine fünfte Kraft. Das legen zumindest Experimente am MTA Atomki, dem Kernforschungszentrum der Ungarischen Akademie der Wissenschaften, nahe.

Die neuen Erkenntnisse lieferte ein Van-de-Graaff-Beschleuniger, der Teilchen auf 5 Megaelektronenvolt beschleunigen kann, weniger als ein Millionstel der Energie im LHC. Es ist ein einfaches Gerät, das Ladungen durch Reibung von Metall an einem motorbetriebenen Riemen trennt. Er funktioniert damit nach dem gleichen Prinzip wie der Westinghouse Atom Smasher, der 1936 vom US-Konzern Westinghouse Electric zu Forschungszwecken gebaut wurde und die gleiche Leistung erreichte.

Einfaches Experiment mit unerwartetem Ergebnis

In einem Experiment schossen die Forscher Protonen mit einer Energie von knapp über einem Megaelektronenvolt auf Lithium-7-Atome. Wenn diese kollidieren und miteinander reagieren, entstehen Beryllium-8-Atome in einem stark angeregten Energiezustand. Beryllium-8 ist ein sehr instabiles Atom. Der Kern soll eine Hantelform haben, die aus zwei aneinander gebundenen Heliumkernen besteht. Die Bindung ist aber so schwach, dass der Kern fast sofort in diese beiden Teile zerfällt, mit einer Halbwertzeit von weniger als einer Zehntel Femtosekunde.

Die freigesetzte Bindungsenergie des zerfallenden Atomkerns liegt im Bereich von 18 Megaelektronenvolt. Selbst für Kernzerfallsprozesse ist das eine sehr große Energiemenge, die meisten radioaktiven Zerfälle spielen sich im Bereich von wenigen Megaelektronenvolt oder Kiloelektronenvolt ab. In dem Energiebereich, den die Forscher untersuchten, entstehen beim Zerfall des Atoms auch spontan Paare von Materie- und Antimaterieteilchen, Elektronen und Positronen, die anschließend mit hoher Geschwindigkeit auseinanderfliegen.

Die Forscher beobachteten die entsprechenden Winkel: Spielt sich der Prozess innerhalb des Atomkerns ab, sollte praktisch keines dieser Paare in einem sehr großen Winkel auseinanderfliegen. Aber in dem Bereich oberhalb von 140 Grad fanden sich unerwartet viele Messungen. Sobald der Beschleuniger die Protonen auf 0,8 Megaelektronenvolt oder 1,2 Megaelektronenvolt beschleunigte, verschwand der Effekt wieder. Im Bereich dazwischen war das Signal deutlich. Mit 6,8 Standardabweichungen gibt es nur eine Chance von eins zu fünf Billionen, dass das Signal durch zufälliges Rauschen der Messinstrumente zustande kam. Das Signal wird damit erklärungsbedürftig.